Una olla de sancocho sin tapa deja escapar vapor hacia la cocina. El agua caliente dentro de un termo bien cerrado sigue caliente horas después. ¿De qué depende lo que un objeto puede intercambiar con lo que lo rodea? Hasta ahora seguías a un cuerpo que se mueve. La termodinámica cambia el punto de vista: te fijas en un sistema (un gas en un cilindro, el aire de una llanta, el contenido de una olla) y en cómo intercambia energía con su entorno. Antes de calcular nada, hay que aprender a describir ese sistema y sus variables.
El sistema termodinámico y su entorno
Practica★☆☆Sin empezar
En un laboratorio de tecnología se estudian tres sistemas: una olla de sopa hirviendo sin tapa, una botella de refresco bien cerrada y un termo de acero inoxidable con…
En un laboratorio de tecnología se estudian tres sistemas: una olla de sopa hirviendo sin tapa, una botella de refresco bien cerrada y un termo de acero inoxidable con comida caliente, también bien cerrado.
a) Clasifica cada sistema como abierto, cerrado o aislado.
b) Indica, en cada caso, si el sistema puede intercambiar materia, energía, ambas o ninguna con el entorno.
En el cilindro del motor de una motocicleta, la mezcla de gasolina y aire se comprime y se quema. Tomamos como sistema los gases encerrados en el cilindro. a) Indica qué…
En el cilindro del motor de una motocicleta, la mezcla de gasolina y aire se comprime y se quema. Tomamos como sistema los gases encerrados en el cilindro.
a) Indica qué cuerpos forman el entorno del sistema.
b) ¿Qué elementos hacen de frontera entre el sistema y el entorno?
c) Clasifica el sistema mientras las válvulas permanecen cerradas: ¿puede intercambiar materia con el exterior? ¿Y energía?
Clasifica los siguientes sistemas como abiertos, cerrados o aislados, justificando la respuesta a partir de sus intercambios de materia y de energía con el entorno: a)…
Clasifica los siguientes sistemas como abiertos, cerrados o aislados, justificando la respuesta a partir de sus intercambios de materia y de energía con el entorno:
a) Una persona que está haciendo deporte al aire libre.
b) Un tanque de gas butano con la llave de paso cerrada.
c) Un termo ideal que no deja pasar nada de calor a través de sus paredes.
d) La cabina de la Estación Espacial Internacional, que recibe oxígeno de sus tanques y cede calor al espacio.
La temperatura mide qué tan agitadas están las partículas: es proporcional a su energía cinética promedio. Un gas caliente tiene partículas que se mueven más rápido que uno frío.
Cuando dos cuerpos a distinta temperatura se ponen en contacto, la energía fluye del más caliente al más frío. Esa energía en tránsito se llama calor ($Q$). El flujo se detiene cuando ambos llegan a la misma temperatura: es el equilibrio térmico.
Practica★☆☆Sin empezar
Una manta térmica de fisioterapia se aplica a $40\ \celsius$ sobre la espalda de un paciente, cuya piel está a $34\ \celsius$. a) ¿En qué sentido se transfiere el calor…
Una manta térmica de fisioterapia se aplica a $40\ \celsius$ sobre la espalda de un paciente, cuya piel está a $34\ \celsius$.
a) ¿En qué sentido se transfiere el calor al principio: de la manta a la piel o al revés?
b) Describe qué ocurre con las temperaturas de ambos cuerpos hasta que se alcanza el equilibrio térmico.
c) Define con tus palabras qué es el equilibrio térmico.
Un compañero afirma: «El agua de esta olla tiene mucho calor». a) Explica por qué la frase es incorrecta desde el punto de vista de la termodinámica: el calor no se…
Un compañero afirma: «El agua de esta olla tiene mucho calor».
a) Explica por qué la frase es incorrecta desde el punto de vista de la termodinámica: el calor no se «tiene», se transfiere.
b) Reformula la frase correctamente usando los conceptos de energía interna y temperatura.
c) Indica en qué dos formas puede un sistema intercambiar energía con su entorno.
Considera las siguientes magnitudes termodinámicas: presión $p$, volumen $V$, temperatura $T$, energía interna $U$, calor $Q$ y trabajo $W$. a) Indica cuáles de ellas…
Considera las siguientes magnitudes termodinámicas: presión $p$, volumen $V$, temperatura $T$, energía interna $U$, calor $Q$ y trabajo $W$.
a) Indica cuáles de ellas son variables de estado del sistema.
b) Explica el criterio que utilizaste: ¿qué diferencia hay entre una variable de estado y una transferencia de energía?
Un gas se encuentra en un estado A descrito por $p_{\text{A}} = 1.5\ \text{atm}$, $V_{\text{A}} = 2.5\ \text{L}$ y $t_{\text{A}} = 27\ \celsius$. Datos:…
Un gas se encuentra en un estado A descrito por $p_{\text{A}} = 1.5\ \text{atm}$, $V_{\text{A}} = 2.5\ \text{L}$ y $t_{\text{A}} = 27\ \celsius$. Datos: $1\ \text{atm} = 1.013\times10^{5}\ \text{Pa}$, $1\ \text{L} = 10^{-3}\ \text{m}^3$ y $T\,(\text{K}) = t\,(\celsius) + 273$.
a) Expresa las tres variables en unidades del Sistema Internacional.
b) De las tres variables, indica cuál es extensiva (depende de la cantidad de gas encerrado) y cuáles son intensivas (no dependen de ella).
Un gas encerrado en una jeringa con el émbolo trabado se calienta y su presión sube. Si el émbolo está suelto, se desplaza y la presión se mantiene igual a la atmosférica. ¿Qué pasa cuando obligamos a una variable a no cambiar?
Practica★★☆Sin empezar
Un gas se encuentra en un estado A descrito por $p_{\text{A}} = 1.5\ \text{atm}$, $V_{\text{A}} = 2.5\ \text{L}$ y $t_{\text{A}} = 27\ \celsius$. Datos:…
Un gas se encuentra en un estado A descrito por $p_{\text{A}} = 1.5\ \text{atm}$, $V_{\text{A}} = 2.5\ \text{L}$ y $t_{\text{A}} = 27\ \celsius$. Datos: $1\ \text{atm} = 1.013\times10^{5}\ \text{Pa}$, $1\ \text{L} = 10^{-3}\ \text{m}^3$ y $T\,(\text{K}) = t\,(\celsius) + 273$.
a) Expresa las tres variables en unidades del Sistema Internacional.
b) De las tres variables, indica cuál es extensiva (depende de la cantidad de gas encerrado) y cuáles son intensivas (no dependen de ella).
Un diagrama $p$-$V$ dibuja la presión en el eje vertical y el volumen en el horizontal. Cada punto es un estado del gas; una línea es un proceso.
Un segmento horizontal es isobárico.
Un segmento vertical es isócoro.
Una curva descendente que cumple $p\,V = \text{cte}$ es isotérmica.
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Considera las siguientes magnitudes termodinámicas: presión $p$, volumen $V$, temperatura $T$, energía interna $U$, calor $Q$ y trabajo $W$. a) Indica cuáles de ellas…
Considera las siguientes magnitudes termodinámicas: presión $p$, volumen $V$, temperatura $T$, energía interna $U$, calor $Q$ y trabajo $W$.
a) Indica cuáles de ellas son variables de estado del sistema.
b) Explica el criterio que utilizaste: ¿qué diferencia hay entre una variable de estado y una transferencia de energía?
Cuando un gas se expande, empuja el émbolo y realiza trabajo sobre el entorno. Cuando se comprime, el entorno realiza trabajo sobre él. En un proceso a presión constante:
En un diagrama $p$-$V$, el trabajo es el área bajo la línea del proceso: una expansión es una flecha hacia la derecha, y una compresión, hacia la izquierda.
Ampliación: energía interna y primer principio
Ampliación: procesos rápidos e isotérmicos
El primer principio se simplifica cuando una de sus magnitudes es nula.
Ampliación: elegir el sistema
Qué cuenta como «calor con el entorno» depende de dónde pongas la frontera. En un compresor, si el sistema es solo el gas, el calor hacia las paredes cruza la frontera. Si el sistema es el gas más el cilindro, ese calor es interno y no aparece en el balance con el entorno; solo cuenta el calor que pasa al aire del taller.
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La cabina de la Estación Espacial Internacional recibe oxígeno desde los tanques, envía dióxido de carbono a los sistemas de depuración y cede calor al exterior…
La cabina de la Estación Espacial Internacional recibe oxígeno desde los tanques, envía dióxido de carbono a los sistemas de depuración y cede calor al exterior únicamente por radiación hacia el espacio.
a) Clasifica la cabina como sistema termodinámico (abierto, cerrado o aislado), justificando la respuesta con sus intercambios de materia y de energía.
b) Asigna el signo del calor que la cabina intercambia con el espacio exterior.
c) Indica qué debería cambiar para que pudiéramos considerarla un sistema cerrado.
d) Razona si sería posible, en la práctica, convertirla en un sistema verdaderamente aislado respecto al intercambio de energía.
Vuelve al principio: la olla de sancocho sin tapa intercambia materia y energía (sistema abierto), mientras que el termo hermético solo intercambia energía, y muy poca (cerrado, casi aislado).
Resumen
¡A practicar! 2 ejercicios de nivel medio en este apartado