Hoja de trabajo de energía interna con respuestas
Contenidos
1. Describe la foto de la tetera que aparece al principio de esta sección en términos de transferencia de calor, trabajo realizado y energía interna. ¿Cómo se transfiere el calor? ¿Cuál es el trabajo realizado y qué lo hace? ¿Cómo mantiene la tetera su energía interna?
3. La transferencia de calor \N y el trabajo realizado \N son siempre energía en tránsito, mientras que la energía interna \N es la energía almacenada en un sistema. Pon un ejemplo de cada tipo de energía, e indica específicamente cómo está en tránsito o reside en un sistema.
8. Se ha invertido mucho esfuerzo, tiempo y dinero en la búsqueda de la llamada máquina de movimiento perpetuo, que se define como una máquina hipotética que funciona o produce trabajo útil indefinidamente y/o una máquina hipotética que produce más trabajo o energía de la que consume. Explique, en términos de motores térmicos y de la primera ley de la termodinámica, por qué es probable o no que se construya tal máquina.
12. La temperatura de un gas en rápida expansión disminuye. Explique por qué en términos de la primera ley de la termodinámica. (Sugerencia: considere si el gas realiza trabajo y si la transferencia de calor se produce rápidamente en el gas a través de la conducción).
Fórmula de cambio de energía interna
La energía potencial y la energía cinética son formas macroscópicas de energía. Pueden visualizarse en términos de la posición y la velocidad de los objetos. Además de estas formas macroscópicas de energía, una sustancia posee varias formas microscópicas de energía. Las formas microscópicas de energía incluyen las debidas a la rotación, la vibración, la traslación y las interacciones entre las moléculas de una sustancia. Ninguna de estas formas de energía puede medirse o evaluarse directamente, pero se han desarrollado técnicas para evaluar el cambio en la suma total de todas estas formas microscópicas de energía. Estas formas microscópicas de energía se denominan colectivamente energía interna, representada habitualmente por el símbolo U. En las aplicaciones de ingeniería, la unidad de energía interna es la unidad térmica británica (Btu), que es también la unidad de calor.
La energía interna en la termodinámica
Figura 1. Esta tetera hirviendo representa la energía en movimiento. El agua de la tetera se convierte en vapor de agua porque el calor se transfiere de la estufa a la tetera. A medida que todo el sistema se calienta, se realiza un trabajo, desde la evaporación del agua hasta el silbido de la tetera. (Crédito: Gina Hamilton)
Si nos interesa saber cómo la transferencia de calor se convierte en trabajo, entonces es importante el principio de conservación de la energía. La primera ley de la termodinámica aplica el principio de conservación de la energía a los sistemas en los que la transferencia de calor y la realización de trabajo son los métodos de transferencia de energía dentro y fuera del sistema. La primera ley de la termodinámica establece que el cambio en la energía interna de un sistema es igual a la transferencia neta de calor hacia el sistema menos el trabajo neto realizado por el sistema. En forma de ecuación, la primera ley de la termodinámica es
Aquí [latex]\boldsymbol{{Delta{U}}[/latex]es el cambio en la energía interna[latex]\boldsymbol{U}[/latex]del sistema.[latex]\boldsymbol{Q}[/latex]es el calor neto transferido al sistema-es decir,[latex]\boldsymbol{Q}[/latex]es la suma de toda la transferencia de calor dentro y fuera del sistema. [es el trabajo neto realizado por el sistema, es decir, [latex]\boldsymbol{W}[/latex]es la suma de todo el trabajo realizado en o por el sistema. Utilizamos las siguientes convenciones de signos: si[latex]\boldsymbol{Q}[/latex]es positivo, entonces hay una transferencia neta de calor en el sistema; si[latex]\boldsymbol{W}[/latex]es positivo, entonces hay trabajo neto realizado por el sistema. Así que [latex]\boldsymbol{Q}[/latex]positivo añade energía al sistema y [latex]\boldsymbol{W}[/latex]positivo quita energía del sistema. Por lo tanto, [latex]\boldsymbol{{Delta{U}=Q-W}.[/latex]Tenga en cuenta también que si se produce más transferencia de calor en el sistema que trabajo realizado, la diferencia se almacena como energía interna. Los motores térmicos son un buen ejemplo de esto: la transferencia de calor hacia ellos tiene lugar para que puedan realizar trabajo. (Véase la Figura 2.) Ahora examinaremos [latex]\boldsymbol{Q},\:\boldsymbol{W},[/latex]y[latex]\boldsymbol{{Delta{U}}[/latex]más a fondo.
Solución de ejercicios de termodinámica pdf
(a) Aunque la persona a la que se pincha con el dedo puede irritarse, la fuerza tiene un efecto poco duradero. (b) En cambio, la misma fuerza aplicada a una zona del tamaño del extremo afilado de una aguja es lo suficientemente grande como para romper la piel.
La presión se define para todos los estados de la materia, pero es especialmente importante cuando se habla de fluidos (como el aire). Probablemente haya oído la palabra presión en relación con la sangre (presión arterial alta o baja) y en relación con el clima (sistemas meteorológicos de alta y baja presión). Estos son sólo dos de los muchos ejemplos de presiones en los fluidos.
La relación entre la presión, el volumen y la temperatura de un gas ideal viene dada por la ley de los gases ideales. Un gas se considera ideal a baja presión y a una temperatura bastante alta, y se pueden ignorar las fuerzas entre las partículas que lo componen. La ley de los gases ideales establece que
donde P es la presión de un gas, V es el volumen que ocupa, N es el número de partículas (átomos o moléculas) del gas y T es su temperatura absoluta. La constante k se denomina constante de Boltzmann y tiene el valor
