Principios Fundamentales de la Termodinámica y la Energía

Teoremas de la Energía

El trabajo de una fuerza (F) sobre un cuerpo, entre dos puntos A y B, se emplea en variar su energía cinética. Esto es el teorema de las fuerzas vivas:

W = Ec₁ - Ec₀ = ΔEc

• Campo gravitatorio: Epg = -GMm/r
• Teorema de la energía potencial: W_peso = -Ep_B - (-Ep_A) = -ΔEp
• W_f-ext = ΔEpg
• Fuerza de Hooke: F_h = -kx
• Energía potencial elástica: E_ph = 1/2kx²
• W_fh = E_ph0 - E_ph1 = -ΔE_ph
• Energía cinética: E_c = 1/2mv²_max
• E_c + E_p = E_m = Constante

Si en un problema actúa la fuerza peso, la fuerza de rozamiento (F_roz) y una fuerza externa, tendremos que:

W_p + W_froz + W_f = Ec₁ - Ec₀ = ΔEc

Teorema de conservación de la energía mecánica:

E_m0 + W_{F no conservativas} = E_m1

Potencia y Relación entre Energía y Temperatura

• Potencia = W/Δt
• P = W/Δt = F·Δs/Δt = F·v

Hay una relación matemática entre la energía cinética media de las partículas de un sistema y la temperatura (T), es el principio de equipartición de la energía:

E_k = 1/2kT

Principios de la Termodinámica

Si dos sistemas físicos se ponen en contacto térmicamente, hay un intercambio de energía interna, hablamos de intercambio de calor, y con el tiempo llegan a alcanzar la misma temperatura. Este es el principio cero de la termodinámica.

La energía interna de un sistema es la suma de todas las energías que tienen sus partículas (cinéticas y potenciales).

El calor específico (Ce) de una sustancia es el calor necesario para elevar un grado Kelvin la temperatura de un kilogramo de dicha sustancia:

Q = mCe(t₁ - t₀) = mCeΔt

Q_abs + Q_cedido = 0

El calor absorbido por un sistema es positivo, el cedido es negativo.

Segundo principio de la termodinámica:

1. No se puede aprovechar toda la energía interna de una fuente en forma de trabajo mecánico.
2. No es posible un proceso térmico cuyo único resultado sea transferir calor de un cuerpo más frío a otro más caliente.

Cambios de Estado y Sistemas Termodinámicos

La ecuación que da el calor ganado o perdido por un cuerpo en un cambio de fase es la siguiente:

Q = mL_f ó Q = mL_v

• L_f = calor latente de fusión
• L_v = calor latente de vaporización

Sistemas termodinámicos: un sistema es la porción de universo considerada para su estudio.

• Abiertos: intercambian materia y energía con el exterior.
• Cerrados: pueden intercambiar energía, pero no materia con el exterior.
• Aislados: no pueden intercambiar ni materia ni energía.

Tercer principio de la termodinámica: “imposibilidad de alcanzar el cero absoluto”. Un motivo para tal imposibilidad es que para quitarle toda la energía a un cuerpo necesitamos una energía infinita, cosa que no es posible.

• Q = C·Δt (C = capacidad calorífica del sistema)
• C = m·Ce (masa por tipo de material)
• 1 J = 0.24 cal