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Sistemas eléctricos - energía termodinamica



Materia
Sistemas eléctricos.

Tema
Energía termodinamica..


Energía termodinamica.
La termodinamica es una rama de la física que estudia los efectos de los cambios de magnitudes. Los cambios estudiados son los de temperatura, presión y volumen, aunque también estudia cambios en otras magnitudes, tales como la imanación, el potencial químico, la fuerza electromotriz y el estudio de los medios continuos en general. También podemos decir que la termodinamica nace para explicar los procesos de intercambio de masa y energía térmica entre sistemas térmicos diferentes. Para tener un mayor manejo especificaremos que calor significa 'energía en transito' y dinamica se refiere al 'movimiento', por lo que, en esencia, la termodinamica estudia la circulación de la energía y cómo la energía infunde movimiento. Históricamente, la termodinamica se desarrolló a partir de la necesidad de aumentar la eficiencia de las primeras maquinas de vapor.


El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones termodinamicas son las leyes de la termodinamica, que postulan que la energía puede ser intercambiada entre sistemas en forma de calor o trabajo. En la termodinamica se estudian y clasifican las interacciones entre diversos sistemas, lo que lleva a definir conceptos como sistema termodinamico y su contorno. Un sistema termodinamico se caracteriza por sus propiedades, relacionadasentre sí mediante las ecuaciones de estado. Éstas se pueden combinar para expresar la energía interna y los potenciales termodinamicos, útiles para determinar las condiciones de equilibrio entre sistemas y los procesos espontaneos.
La Ley cero
La Ley cero de la termodinamica nos dice que si tenemos dos cuerpos llamados A y B, con diferente temperatura uno de otro, y los ponemos en contacto, en un tiempo determinado t, estos alcanzaran la misma temperatura, es decir, tendran ambos la misma temperatura. Si luego un tercer cuerpo, que llamaremos C se pone en contacto con A y B, también alcanzara la misma temperatura y, por lo tanto, A, B y C tendran la misma temperatura mientras estén en contacto.
De este principio podemos inducir el de temperatura, la cual es una condición que cada cuerpo tiene y que el hombre ha aprendido a medir mediante sistemas arbitrarios y escalas de referencia (escalas termométricas).
La Primera Ley
La Primera ley de la termodinamica se refiere al concepto de energía interna, trabajo y calor. Nos dice que si sobre un sistema con una determinada energía interna, se realiza un trabajo mediante un proceso, la energía interna del sistema variara. A la diferencia de la energía interna del sistema y a la cantidad de trabajo le denominamos calor. El calor es la energía transferida al sistema por medios no mecanicos. Pensemos que nuestro sistema es un recipiente metalico con agua; podemos elevar latemperatura del agua por fricción con una cuchara o por calentamiento directo en un mechero; en el primer caso, estamos haciendo un trabajo sobre el sistema y en el segundo le transmitimos calor.


Cabe aclarar que la energía interna de un sistema, el trabajo y el calor no son mas que diferentes manifestaciones de energía. Es por eso que la energía no se crea ni se destruye, sino que, durante un proceso solamente se transforma en sus diversas manifestaciones.

Segunda ley de la termodinamica.

El segundo principio de la termodinamica o segunda ley de la termodinamica 1] expresa que:
Es una de las leyes mas importantes de la física; aún pudiéndose formular de muchas maneras todas lleva a la explicación del concepto de irreversibilidad. Tomando al universo como sistema aislado se puede concluir que el mismo tiende al desorden; visto desde su forma mas somera y desde la perspectiva de la entropía clasica, la entropía mide la cantidad de desorden de la materia y la energía de un sistema y la cantidad de energía no utilizable del mismo, por ejemplo, tiene mas entropía el agua en estado gaseoso con sus moléculas dispersas unas de las otras que la misma en estado líquido con sus moléculas mas juntas y con mas orden. La segunda ley de la termodinamica dictamina que si bien, la materia y la energía no se pueden crear ni destruir si se transforman en otras cosas que cada vez son mas inútiles para generar trabajo en un sistema,por ejemplo: en un sistema que pasa de un estado de equilibrio A al B, la cantidad de Entropía en el estado de equilibrio B sera maxima (mayor a la del estado de equilibrio A) no obstante, la cantidad de materia y energía del sistema en ambos estados sera siempre la misma sin importar el desorden que tengan los mismos lo que pasa es que se han transformado en otras cosas que cada vez, como en el caso de la energía, son mas inútiles para realizar trabajo. Así pues el sistema sólo hace trabajo cuando esta en el transcurso o paso del estado de equilibrio A al B y no cuando se encuentra en uno de estos estados.
Aplicado el concepto a un fenómeno de la naturaleza como por ejemplo la vida de las estrellas, las mismas al convertir el Hidrógeno, su combustible principal, en Helio generan luz y calor entre otros, al fusionar los núcleos de Hidrógeno en su interior la estrella libera la energía suficiente para producirlos a esa intensidad, sin embargo, cuando intenta fusionar los núcleos de Helio no consigue liberar ya la misma cantidad de energía que obtenía cuando fusionaba los núcleos de hidrógeno. Cada vez que la estrella fusiona los núcleos de un elemento obtiene otro que le es mas inútil para obtener energía y por ende la estrella muere, y en ese orden de ideas la materia que deja atras ya no servira para generar otra estrella. Es así como la Segunda ley de la Termodinamica se ha utilizado para explicar el fin del universo.La definición formal del segundo principio de la termodinamica establece que
En un estado de equilibrio, los valores que toman los parametros característicos de un sistema termodinamico cerrado son tales que maximizan el valor de una cierta magnitud que esta en función de dichos parametros, llamada entropía.
La entropía de un sistema es una magnitud física abstracta que la mecanica estadística identifica con el grado de desorden molecular interno de un sistema físico. La termodinamica clasica, en cambio, la define como la relación entre el calor transmitido y la temperatura a la que se transmite. La termodinamica axiomatica, en cambio, define a la entropía como una cierta función –a priori, de forma desconocida–, que depende de los llamados 'parametros característicos' del sistema, y que sólo puede definirse para los estados de equilibrio del sistema.
Dichos parametros característicos se establecen a partir de un postulado derivado del primer principio de la termodinamica, llamado a veces el principio de estado. Según éste, el estado de equilibrio de un sistema queda totalmente definido por medio de la energía interna del sistema, su volumen y su composición molar. Cualquier otro parametro termodinamico, como podrían serlo la temperatura o la presión, se define como una función de dichos parametros. Así, la entropía sera también una función de dichos parametros.


El segundo principio de la termodinamica establece quedicha entropía sólo puede definirse para estados de equilibrio termodinamico, y que de entre todos los estados de equilibrio posibles –que vendran definido por los parametros característicos–, sólo se puede dar el que, de entre todos ellos, maximiza la entropía.
Las consecuencias de este enunciado son sutiles: al considerar un sistema cerrado tendente al equilibrio, los estados de equilibrio posibles incluyen todos aquellos que sean compatibles con los límites o contornos del sistema. Entre ellos se encuentra, evidentemente, el estado de equilibrio de partida. Si el sistema varía su estado de equilibrio desde el de partida a otro, ello es debido a que la entropía del nuevo estado es mayor que la del estado inicial; si el sistema cambia de estado de equilibrio, su entropía sólo puede aumentar. Por tanto, la entropía de un sistema aislado termodinamicamente sólo puede incrementarse. Suponiendo que el universo partió de un estado de equilibrio, que en todo instante de tiempo el universo no se aleja demasiado del equilibrio termodinamico y que el universo es un sistema aislado, el segundo principio de la termodinamica puede formularse de la siguiente manera;
La cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse con el tiempo.
Sin embargo, la termodinamica axiomatica no reconoce al tiempo como una variable termodinamica. Formalmente, la entropía sólo puede definirse para estados en equilibrio. En el proceso que va deun estado de equilibrio a otro no hay estados de equilibrio, por lo que la entropía en dichos estados de no-equilibrio no puede definirse sin incurrir en inconsistencias formales dentro de la propia termodinamica. Así, la entropía no puede ser una función del tiempo, por lo que hablar de variaciones de la misma en el tiempo es formalmente incorrecto.
Cuando se hace, es debido a que se ha presupuesto que en el proceso de un estado de equilibrio a otro se ha pasado por infinitos estados intermedios de equilibrio, procedimiento que permite introducir al tiempo como parametro. En tanto en cuanto el estado de equilibrio final sea aquél de maxima entropía posible, no se habra incurrido en una inconsistencia frontal por cuanto dichos estados de equilibrio intermedios no han afectado al único real (el final).
La formulación clasica defiende que el cambio en la entropía S es siempre mayor o igual — exclusivo para procesos reversibles — que la transferencia de calor Q producida dividido por la temperatura de equilibrio T del sistema 4]

Descripción general

Suponiendo estados iníciales y finales de equilibrio, el principio establece que los sistemas físicos saltan de un estado con cierto orden a un estado menos ordenado, aumentando su entropía. El proceso inverso es imposible.
El enunciado axiomatico del segundo principio pone inmediatamente de manifiesto su principal característica: se trata de una de las pocas leyesontológicas de la Física, en tanto que distingue, de manera general, aquellos procesos y estados físicos que son posible de aquellos que no lo son; esto es, el segundo principio permite determinar la posibilidad de un proceso o estado. De hecho, en un sentido histórico el segundo principio surgió, en plena Revolución Industrial en el contexto de las maquinas térmicas como una explicación empírica de por qué éstas se comportaban de una manera determinada y no de otra. En efecto, aunque parezca trivial, siempre se observaba, por ejemplo, que para calentar una caldera era necesario emplear combustible ardiendo a mayor temperatura que la de la caldera; sin embargo, jamas se observaba que la caldera se calentara tomando energía de su entorno, el cual a su vez se enfriaría. De hecho, podría razonarse que, en virtud del primer principio de la termodinamica, nada impide que, espontaneamente, sea posible extraer calor de un cuerpo frío, por ejemplo a 200K, para transmitírselo a otro caliente, por ejemplo a 1000K: basta con que se cumpla el balance energético correspondiente, a consecuencia del cual el cuerpo frío se enfriaría aún mas, y el caliente se calentaría mas aún. Sin embargo, todo esto es contrario a toda experiencia; y aunque parezca común y hasta trivial, tenía un extraordinario impacto en las maquinas empleadas en la Revolución Industrial: por ejemplo, de no haber sido así, las maquinas podrían funcionar sin necesitarcombustible, pues la energía necesaria podría transferirse de manera espontanea del resto del ambiente. Sin embargo, las maquinas térmicas parecían obedecer una determinada ley, que se materializó en el segundo principio: para producir trabajo mecanico, era necesario aportar energía adicional (el combustible), que a su vez era siempre mayor que la cantidad de trabajo extraído. El concepto de maquina térmica aparece así íntimamente ligado al enunciado inicial del segundo principio.
Una maquina térmica es aquella que provee de trabajo eficaz gracias a la diferencia de temperaturas entre dos cuerpos. Dado que cualquier maquina termodinamica requiere una diferencia de temperatura, se deriva pues que ningún trabajo útil puede extraerse de un sistema aislado en equilibrio térmico, esto es, se requerira de la alimentación de energía del exterior. Ese principio empírico, extraído de la observación continua de cómo funciona el universo, constituye uno de los primeros enunciados del Segundo Principio de la Termodinamica: es imposible todo proceso cíclico cuyo único resultado sea la absorción de energía en forma de calor procedente de un foco térmico (o reservorio o depósito térmico), y la conversión de toda ésta energía en forma de calor en energía en forma de trabajo
Tercera ley de la termodinamica.
El tercer principio de la termodinamica o tercera ley de la termodinamica afirma que no se puede alcanzar el cero absoluto en un númerofinito de etapas. Sucintamente, puede definirse como:
* Al llegar al cero absoluto, 0 K, cualquier proceso de un sistema físico se detiene.
* Al llegar al cero absoluto la entropía alcanza un valor mínimo y constante.
Descripción
En términos simples, la tercera ley indica que la entropía de una sustancia pura en el cero absoluto es cero.
Por consiguiente, la tercera ley provee de un punto de referencia absoluto para la determinación de la entropía. La entropía relativa a este punto es la entropía absoluta.
Un caso especial se produce en los sistemas con un único estado fundamental, como una estructura cristalina. La entropía de un cristal perfecto definida por el teorema de Nernst es cero (dado que el log(1) = 0). Sin embargo, esto desestima el hecho de que los cristales reales deben crecer en una temperatura finita y poseer una concentración de equilibrio por defecto. Cuando se enfrían generalmente son incapaces de alcanzar la perfección completa. Esto, por supuesto, se mantiene en la línea de que la entropía tiende siempre a aumentar dado que ningún proceso real es reversible.
Otra aplicación de la tercera ley es con respecto al momento magnético de un material. Los metales paramagnéticos (con un momento aleatorio) se ordenaran a medida de que la temperatura se acerque a 0 K. Se podrían ordenar de manera ferromagnética (todos los momentos paralelos los unos a los otros) o de manera antiferromagnética.





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