Unidad 3. Autorreflexiones

1)       ¿Qué implicaciones tendría el desconocimiento de la segunda ley de la termodinámica en nuestra vida cotidiana?

La entropía puede ser vista como una medida de dispersión o propagación de energía.  Para que la energía se disperse debe haber una variedad de estados en los cuales la energía pueda ser distribuida de diferentes maneras. Un universo que no tiene variedad real no experimentaría un aumento de la entropía.  Eso podría ser un universo que no contiene nada en absoluto o un universo en el que la energía está distribuida uniformemente.  Con una densidad de energía constante en todas partes, nada podría cambiar.  La entropía siempre sería máxima.

2)       ¿En qué problemas se aplica la tercera ley de la termodinámica?

La tercera ley es raramente aplicable a nuestra vida cotidiana y rige la dinámica de los objetos a las temperaturas más bajas conocidas. El concepto de entropía también ha sido popular en algunas teorías que definen objetivamente el flujo continuo del tiempo, como el aumento lineal de la entropía del Universo.

3)       ¿Es la tabla periódica valida a cualquier temperatura?

Efectivamente la tabla periódica es válida, sin embargo, se debe de especificar que cuando la temperatura aumenta el estado de cualquiera de los elementos cambiara de su forma original.

4)       ¿Cómo se define la temperatura en el modelo cinético de partículas?

El modelo supone que las moléculas son muy pequeñas en relación con la distancia entre las moléculas. Las moléculas están en constante movimiento aleatorio y con frecuencia chocan entre sí y con las paredes de cualquier contenedor.

5)       Un físico experimental pone a operar una máquina térmica cíclica con la intención de que su único efecto sea la transferencia continúa de energía, de un objeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de energía por trabajo, ¿esto es posible?

Según Clausius: Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto es transferir energía continuamente por calor de un objeto a otro a una temperatura más alta sin la entrada de energía del trabajo.

Según Kelvin-Planck: Es imposible construir una máquina de calor que, funcionando en un ciclo, no produce otro efecto que la entrada de energía por el calor de un depósito y el rendimiento de una cantidad igual de trabajo.

Por tanto, considero que lo que propone el físico experimental no es posible.

 

6)       ¿Cómo puedo aplicar los conocimientos de termodinámica a problemas de tecnología ambiental?

Los problemas ambientales se están convirtiendo en un aspecto importante de nuestras vidas a medida que las industrias crecen a paso acelerado con las poblaciones de todo el mundo. La Termodinámica destaca algunos de los problemas medioambientales y muestra cómo la termodinámica puede ayudar a reducirlos. De ahí la importancia de la aplicación de la solubilidad y la termodinámica, en la comprensión y en la reducción de la contaminación química en el medio ambiente.

7)       Menciona al menos un proceso termodinámico que requiere de una explicación de nivel cuántico.

Uno de los procesos que podemos mencionar que requieren una explicación cuántica es la articulación del agua a nivel cuántico, esto se obtuvo mediante la inteligencia artificial y la mecánica cuántica, usando estas dos técnicas pudieron reproducir varias de las propiedades termodinámicas del agua a un nivel cuántico.

8)       ¿Qué aprendizajes nuevos has adquirido?

Está asignatura, fue bastante compleja para mi dado que muchos de los conceptos e ideas los desconocía por completo, además de que está materia necesita de mucho análisis y matemática avanzada, sin embargo, me ayudo a obtener nuevos conocimientos y poder entender la importancia de la termodinámica incluso en nuestra vida cotidiana.

Unidad 3. Asignación del docente. Leyes de la termodinámica

Desarrollo.

Ley cero de la termodinámica.

Cabe mencionar que la ley cero recibió este nombre dado que ya se habían nombrado la primera, segunda y tercera ley y está ley fue formulada posterior a ellas, sin embargo como los científicos pensaron que está debía de ir antes que las demás se le puso este nombre. (Ley Cero de la Termodinámica: Definición, importancia, 2019)

La ley cero de la termodinámica establece que la temperatura de dos objetos comienza a cambiar y después de cierto tiempo el cambio se detiene, en cuyo punto se dice que los objetos están en equilibrio térmico.

Poner dos objetos juntos a diferentes temperaturas hará que la temperatura del objeto más caliente se enfríe y la temperatura del objeto más frío ganará temperatura haciendo que ambos objetos estén en equilibrio térmico. Simbólicamente se representa: Si el objeto A está en equilibrio térmico con el objeto B y el objeto B está en equilibrio térmico con C, entonces el objeto A está en equilibrio térmico con el objeto C. (Fernández)

Ejemplo.

Los valores límites a  del producto  en un termómetro de gas a volumen constante, en contacto con dos sistemas  y  son  y  respectivamente. Calcúlese la relación de temperaturas , de los dos sistemas. Si el sistema  es una célula de punto triple del agua ¿Cuál es la temperatura ? (Moreno Mestre)

 

Primera ley de la Termodinámica.

La primera ley de la termodinámica es compartida con la mayor parte de la ciencia; es uno de los principios fundamentales que han dado forma a nuestra comprensión del mundo laboral.

LA ENERGÍA TOTAL DEL SISTEMA Y DE SU ENTORNO ES CONSTANTE o LA ENERGÍA ES CONSERVADA, trae de vuelta esa idea largamente establecida de que nada puede ser creado o destruido. ¿Cómo sabemos esto? Se trata de una ley empírica, lo que significa que sabemos que la energía se conserva gracias a los numerosos experimentos repetidos de los científicos. Se ha observado que no se puede obtener más energía de un sistema de la que se pone en él. (Leyes de la Termodinámica, 2014)

Esta ley fue propuesta por Nicolas Leonard Sadi Carnot en 1824, en su obra “Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar está potencia” en dicha ley estableció que:

“la energía no se crea ni se destruye solo se transforma”

La primera ley de la termodinámica determina que la energía interna de un sistema aumenta cuando se le transfiere calor o se realiza un trabajo sobre él. Su expresión depende del criterio de signos para sistemas termodinámicos elegidos:

Criterio IUPAC	Se considera positivo aquello que aumenta la energía interna del sistema, o lo que es lo mismo, el trabajo recibido o el calor absorbido:
Criterio tradicional	Se considera positivo el calor absorbido y el trabajo que realiza el sistema sobre el entorno.

Donde:

• : Incremento de energía interna del sistema . Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el julio (J)
• : Calor intercambiado por el sistema con el entorno. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el julio (J), aunque también se suele usar la caloría (cal).
• : Trabajo intercambiado por el sistema con el entorno. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el julio (J)

Ejemplo.

Determina la variación de energía interna que experimentan 10g de gas cuya temperatura pasa de 34ºC a 60ºC en un proceso a volumen constante sabiendo que su calor específico viene dado por .

Segunda ley de la termodinámica.

La segunda ley de la termodinámica tiene que ver con el concepto de entropía, una idea que explica el desorden en nuestro mundo. El concepto de entropía asocia la materia útil y los residuos con baja entropía y alta entropía, respectivamente. Para poder ver la entropía, primero debemos definir el sistema de interés.  Mucha gente cree que todo lo que consumimos puede ser reciclado y reutilizado si podemos desarrollar la tecnología adecuada. Sin embargo, la Segunda Ley hace esencialmente imposible lograr el reciclaje completo. Hay que trabajar para reciclar los residuos; tal idea parece ir en contra de la idea de la Segunda Ley.

Este principio también fue realizado por Nicolas Leonard Sadi Carnot en 1824, en su obra “Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar está potencia” en dicha ley estableció que:

“la cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse en el tiempo”

Está ley marca la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario. También establece que en algunos casos la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin perdidas está ley impone restricciones para la transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta solo el primer principio de la termodinámica. (Leyes de la Termodinámica, 2014)

La segunda ley de la termodinámica se expresa en varias formulaciones equivalentes:

Enunciado de Kelvin-Planck

Es imposible construir una máquina que, operando cíclicamente, produzca como único efecto la extracción de calor de un foco y la realización de una cantidad equivalente de trabajo. (Enunciado de Kelvin - Planck, 2010)

Enunciado de Clausius.

No es posible que ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un cuerpo frío a otro más caliente.

La fórmula general de eficiencia o rendimiento de una máquina según la segunda ley de la termodinámica se presenta de la siguiente manera.

Ejemplo.

Una máquina hace un trabajo de 25 J en cada ciclo, absorbiendo 85 cal. ¿Cuál es el rendimiento de la máquina y el calor liberado en cada ciclo?

El rendimiento de la máquina viene dado por:

Y el trabajo realizado:

Tercera ley de la termodinámica.

La Tercera Ley de la Termodinámica fue formulada por primera vez por el químico y físico alemán Walther Nernst.

La Tercera Ley de Termodinámica se refiere al comportamiento limitante de los sistemas cuando la temperatura se acerca al cero absoluto. La mayoría de los cálculos termodinámicos sólo utilizan diferencias de entropía, por lo que el punto cero de la escala de entropía a menudo no es importante.

La Tercera Ley dice:

"La entropía de un cristal perfecto es cero cuando la temperatura del cristal es igual al cero absoluto (0K)".

En teoría sería posible cultivar un cristal perfecto en el que todos los espacios de la celosía estén ocupados por átomos idénticos. Sin embargo, en general se cree que es imposible alcanzar una temperatura de cero absoluto (aunque los científicos se han acercado bastante). Por lo tanto, toda la materia contiene al menos algo de entropía debido a la presencia de algo de energía térmica. (Importancia de la Tercera Ley de la Termodinámica, 2019)

Esto esencialmente establece un cero absoluto de temperatura como inalcanzable de la misma manera que la velocidad de la luz. Los estados teóricos y los experimentos han demostrado que no importa cuán rápido se esté moviendo algo, siempre se puede hacer que vaya más rápido, pero nunca puede alcanzar la velocidad de la luz. Del mismo modo, no importa lo frío que sea un sistema, siempre se puede enfriar, pero nunca puede alcanzar el cero absoluto. (Tercera Ley de la Termodinámica, 2018)

Ejemplo.

Calcular  cuando 350 g de agua ( a 5ºC se añaden a 500g de agua a 70ºC. (Gonzalez Arias)

Resolución:

Para encontrar la temperatura final de equilibrio T:

Como S es una magnitud extensiva, , e integrando desde  hasta T;

Captación de energía por medio de paneles solares

Los seres humanos desean cada vez más convertir la radiación solar en diferentes formas de energía, como la electricidad o el combustible, que puedan funcionar. Esto sólo puede lograrse creando dispositivos o máquinas para convertir una forma de energía en otra y los recursos para esos dispositivos provienen de la corteza terrestre. Estos dispositivos tienen una vida útil finita y dependen de una infraestructura adicional (transporte, ciudades, fábricas, universidades, policía, etc.) para su mantenimiento y funcionamiento, que a su vez tiene una vida útil finita. Es necesario continuar con la minería, el refinado y la fabricación.

La cantidad de energía captada del sol por tales dispositivos nunca puede ser suficiente para restaurar la Tierra a su condición original. Esto está determinado por la segunda ley de la termodinámica. Por lo tanto, el proceso de minería, construcción y fabricación, para convertir y utilizar la energía, agota y degrada inexorablemente los recursos minerales de la Tierra. Es irreversible e insostenible. No importa si consideramos la energía solar, eólica, hidráulica, carbonífera, biológica, nuclear o geotérmica. Todos ellos son insostenibles según las leyes de la física.

La segunda ley de la termodinámica también nos dice que no podemos reciclar completamente los recursos que han sido extraídos de la Tierra y refinados para su uso (como los metales, el helio o el fertilizante de fosfato). Cuanto mayor es el porcentaje que intentamos reciclar, mayor es el coste de la energía. Así pues, tanto si los recursos que queremos utilizar siguen en el suelo como si circulan por encima de él, la industria humana inevitablemente se disipará y perderá esos recursos.

 

La funcionalidad de los paneles solares tradicionales está limitada debido a la limitada cantidad de luz solar que puede llegar a percibir según la zona de la república mexicana en que este. Sin embargo, el sistema de paneles solares termodinámicos supera esta limitación al suministrar calor a través del calor solar, el agua de lluvia y la convección del viento. De esta manera, la temperatura del agua en el tanque de almacenamiento se eleva de una manera altamente eficiente y rentable, incluso cuando llueve e incluso durante la noche.

El principio de trabajo:

Estos sistemas se basan en las leyes de la termodinámica, que aprovechan las propiedades físicas de un gas.

Imagínese una nevera, que consta de una parte fría, otra caliente y un pequeño compresor. La parte fría es el panel (normalmente montado en el techo) y la parte caliente es el intercambiador de calor en el cilindro que calienta el agua.

En el interior del panel negro hay un refrigerante respetuoso con el medio ambiente que tiene una temperatura de ebullición de -25°C. El panel absorbe el calor del ambiente y eleva la temperatura del refrigerante.

El refrigerante es comprimido por el compresor, lo que eleva la temperatura significativamente.

A continuación, el refrigerante circula a través del serpentín del intercambiador de calor en el depósito de agua, que transfiere el calor al agua del depósito, lo que le permite disponer de agua caliente a la vuelta de un grifo.

 

Con el ÚNICO consumo de energía de este sistema es el pequeño motor del compresor (equivalente al de un frigorífico doméstico), el sistema puede ahorrarle hasta un 80% en sus costes de calentamiento de agua. (Energía solar termodinámica)

Ilustración 1 Esquema de captación de energía por paneles solares termodinámicos.

Conclusiones.

La termodinámica es una ciencia en la que se estudian las transformaciones de energía, así como sus relaciones con los cambios en las propiedades químicas de un sistema. Es la base fundamental de muchos campos de ingeniería. La profesión de ingeniería ambiental no es la excepción. En particular, el diseño y la operación de muchos tipos de equipos de control de la contaminación deben basarse en los principios de la termodinámica.

Referencias

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