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Leyes de la termodinámica
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Existen tres leyes fundamentales de la termodinámica:
La primera ley de la termodinámica establece la conservación de la energía, expresando que la energía interna de un sistema se compone del calor absorbido menos el trabajo realizado por el sistema.
La segunda ley de la termodinámica sostiene que en un sistema aislado, éste evoluciona hacia un estado de equilibrio termodinámico donde la entropía alcanza su valor máximo.
La tercera ley de la termodinámica afirma que a medida que la temperatura se acerca a cero absoluto, la entropía del sistema tiende hacia un valor constante, que generalmente es cero.
ID:(1337, 0)
Mecanismos
Definición
Las leyes de la termodinámica son principios fundamentales que describen cómo se transfiere y transforma la energía en los sistemas físicos.
La primera ley, o ley de la conservación de la energía, establece que la energía no puede ser creada ni destruida; solo puede ser transferida o convertida de una forma a otra. Esto significa que la energía total de un sistema aislado permanece constante.
La segunda ley establece que en cualquier proceso natural, la entropía total de un sistema aislado nunca puede disminuir con el tiempo; solo puede permanecer igual o aumentar. Este principio explica por qué ciertos procesos son irreversibles y por qué la energía tiende a dispersarse, llevando a un mayor desorden en el sistema.
La tercera ley afirma que a medida que un sistema se aproxima al cero absoluto, la entropía del sistema se aproxima a un valor mínimo. Para una sustancia perfectamente cristalina en el cero absoluto, la entropía es cero. Esta ley implica que el cero absoluto no puede ser alcanzado mediante un número finito de procesos y establece un punto de referencia para la determinación de la entropía.
En conjunto, estas leyes describen la conservación y dispersión de la energía, la dirección de los procesos espontáneos y las limitaciones para alcanzar el cero absoluto, proporcionando un marco comprensivo para entender los sistemas termodinámicos.
ID:(15249, 0)
Ley cero de la termodinámica
Imagen
Existe una ley cero de la termodinámica que establece la existencia de una propiedad transitiva, en el sentido de que:
• Si los sistemas A y B tienen la misma temperatura.
• Si los sistemas A y C tienen la misma temperatura.
Entonces, necesariamente los sistemas B y C tendrán la misma temperatura.
ID:(10271, 0)
Conservación de energía
Nota
La primera ley de la termodinámica establece que la energía siempre se conserva.
Mientras que en la mecánica se enuncia una conservación similar restringida a sistemas no disipativos (por ejemplo, excluyendo el rozamiento), en la termodinámica se generaliza considerando no solo el trabajo mecánico, sino también el calor generado o absorbido por el sistema.
En este sentido, la conservación de la energía postulada en la termodinámica no tiene restricciones y es aplicable a todos los sistemas, siempre y cuando se consideren todos los intercambios y conversiones de energía posibles.
ID:(37, 0)
Primera ley de la termodinámica
Cita
La primera ley de la termodinámica se desarrolla a partir de varios trabajos [1,2], estableciendo que la energía se conserva, es decir, que el diferencial de la energía interna ($dU$) siempre es igual a el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$) suministrado al sistema (positivo) menos el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$) realizado por el sistema (negativo).
Por lo tanto, tenemos:
| $ dU = \delta Q - \delta W $ |
Mientras que el diferencial exacto no depende de cómo se ejecuta la variación, el diferencial inexacto sí lo hace. Cuando nos referimos a un diferencial sin especificar que es inexacto, se asume que es exacto.
[1] "Über die quantitative und qualitative Bestimmung der Kräfte" (Sobre la determinación cualitativa y cuantitativa de la Fuerza), Julius Robert von Mayer, Annalen der Chemie und Pharmacie, 1842
[2] "Über die Erhaltung der Kraft" (Sobre la conservación de la Fuerza), Hermann von Helmholtz, 1847
ID:(15700, 0)
Calor y entropía
Ejercicio
La primera ley de la termodinámica establece que la energía se conserva y, en particular, que existen dos formas de modificar la energía interna del sistema, conocida como la energía interna ($U$). Esto se logra ya sea agregando o eliminando el contenido calórico ($Q$) y realizando trabajo sobre el sistema o permitiendo que el sistema realice trabajo, representado por el trabajo efectivo ($W$).
La segunda ley restringe estos procesos, limitando la conversión de la energía interna ($U$) y el trabajo efectivo ($W$). En este sentido, establece que no es posible que toda la energía el diferencial de la energía interna ($dU$) se convierta completamente en trabajo útil el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$), lo que significa que el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$) nunca puede ser nulo. En otras palabras, es imposible convertir energía interna en trabajo mecánico sin experimentar una pérdida en forma de calor (el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$)).
Una segunda consecuencia de la segunda ley es que se hace necesario introducir una nueva variable, que cumple la función de el volumen ($V$) para el trabajo efectivo ($W$), teniendo en cuenta que el contenido calórico ($Q$) desempeña su papel como receptor de energía no aprovechada para la creación de trabajo. Esta nueva variable se denomina la entropía ($S$), y la tercera ley exige que su variación ( ERROR:8737) sea siempre positiva o nula, pero nunca negativa.
En un sistema, un subsistema puede experimentar una disminución de la entropía ($\Delta S_{sub}<0$), pero el sistema completo debe mantener la entropía constante o experimentar un aumento en la misma ($\Delta S_{total}\geq 0$), de acuerdo con la tercera ley.
ID:(11129, 0)
Segunda ley de la termodinámica
Ecuación
La segunda ley de la termodinámica se formula a partir de varias publicaciones [1,2], estableciendo que no es posible convertir por completo la energía en trabajo útil. La diferencia entre estas cantidades se relaciona con la energía no aprovechable el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$), que corresponde al calor generado o absorbido en el proceso la temperatura absoluta ($T$).
En el caso de el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$), existe una relación entre la variable intensiva la presión ($p$) y la variable extensiva el volumen ($V$), expresada como:
| $ \delta W = p dV $ |
Una variable intensiva se caracteriza por definir el estado del sistema y no depender de su tamaño. En este sentido, la presión ($p$) es una variable intensiva, ya que describe el estado de un sistema independientemente de su tamaño. Por otro lado, una variable extensiva, como el volumen ($V$), aumenta con el tamaño del sistema.
En el caso de el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$), se necesita una variable extensiva adicional que complemente la variable intensiva la temperatura absoluta ($T$) para definir la relación como sigue:
| $ \delta Q = T dS $ |
Esta nueva variable, que llamaremos la entropía ($S$), se presenta aquí en su forma diferencial (la variación de la entropía ($dS$)) y modela el efecto de que no toda la energía el diferencial de la energía interna ($dU$) puede convertirse completamente en trabajo útil el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$).
[1] "Über die bewegende Kraft der Wärme und die Gesetze, welche sich daraus für die Wärmelehre selbst ableiten lassen" (Sobre la fuerza motriz del calor y las leyes que de ella se pueden derivar para la teoría del calor misma), Rudolf Clausius, Annalen der Physik, 1850
[2] "On the Dynamical Theory of Heat" (Sobre la teoría dinámica del calor), William Thomson (Lord Kelvin), Transactions of the Royal Society of Edinburgh, 1851
ID:(15702, 0)
Tercera ley de la termodinámica
Script
La tercera ley de la termodinámica [1] establece que a medida que la la temperatura absoluta ($T$) de un sistema se aproxima al cero absoluto, la la entropía en el limite temperatura nula ($S$) de una sustancia cristalina perfecta se aproxima a un valor mínimo, típicamente cero. Esto implica que es imposible alcanzar el cero absoluto a través de un número finito de procesos porque la entropía se volvería constante. Esencialmente, la tercera ley establece que la entropía de un cristal perfecto en el cero absoluto es cero y destaca la inalcanzabilidad del cero absoluto debido a la cantidad infinita de energía necesaria para su eliminación.
| $\lim_{T\rightarrow 0}S=0$ |
Esta ley tiene implicaciones significativas para comprender el comportamiento de los materiales a temperaturas muy bajas y proporciona un punto de referencia fundamental para calcular los valores de entropía.
[1] "Über die Berechnung chemischer Gleichgewichte aus thermischen Messungen" (Sobre el cálculo de los equilibrios químicos a partir de mediciones térmicas), Walther Nernst, Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen, Mathematisch-Physikalische Klasse, 1906
ID:(11130, 0)
Leyes de la termodinámica
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Existen tres leyes fundamentales de la termodinámica: La primera ley de la termodinámica establece la conservación de la energía, expresando que la energía interna de un sistema se compone del calor absorbido menos el trabajo realizado por el sistema. La segunda ley de la termodinámica sostiene que en un sistema aislado, éste evoluciona hacia un estado de equilibrio termodinámico donde la entropía alcanza su valor máximo. La tercera ley de la termodinámica afirma que a medida que la temperatura se acerca a cero absoluto, la entropía del sistema tiende hacia un valor constante, que generalmente es cero.
Variables
Cálculos
a 
,
luego, seleccione la variable: 
a 
Cálculos
Variable
Dado
Calcule
Objetivo :
Ecuación
A utilizar
Ecuaciones
Dado que la fuerza mecánica ($F$) dividida por la sección ($S$) es igual a la presión ($p$):
y la variación del volumen ($\Delta V$) con el camino recorrido ($dx$) es igual a:
La ecuaci n para el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$) se puede expresar como:
As que puede ser escrita como:
Dado que el diferencial de la energía interna ($dU$) se relaciona con el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$) y el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$) como se muestra a continuaci n:
Y sabiendo que el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$) est relacionado con la presión ($p$) y la variación del volumen ($\Delta V$) de la siguiente manera:
Entonces podemos concluir que:
Dado que el diferencial de la energía interna ($dU$) depende de el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$), la presión ($p$) y la variación del volumen ($\Delta V$) seg n la ecuaci n:
y la expresi n de la segunda ley de la termodin mica con la temperatura absoluta ($T$) y la variación de la entropía ($dS$) como:
podemos concluir que:
Ejemplos
Las leyes de la termodin mica son principios fundamentales que describen c mo se transfiere y transforma la energ a en los sistemas f sicos.
La primera ley, o ley de la conservaci n de la energ a, establece que la energ a no puede ser creada ni destruida; solo puede ser transferida o convertida de una forma a otra. Esto significa que la energ a total de un sistema aislado permanece constante.
La segunda ley establece que en cualquier proceso natural, la entrop a total de un sistema aislado nunca puede disminuir con el tiempo; solo puede permanecer igual o aumentar. Este principio explica por qu ciertos procesos son irreversibles y por qu la energ a tiende a dispersarse, llevando a un mayor desorden en el sistema.
La tercera ley afirma que a medida que un sistema se aproxima al cero absoluto, la entrop a del sistema se aproxima a un valor m nimo. Para una sustancia perfectamente cristalina en el cero absoluto, la entrop a es cero. Esta ley implica que el cero absoluto no puede ser alcanzado mediante un n mero finito de procesos y establece un punto de referencia para la determinaci n de la entrop a.
En conjunto, estas leyes describen la conservaci n y dispersi n de la energ a, la direcci n de los procesos espont neos y las limitaciones para alcanzar el cero absoluto, proporcionando un marco comprensivo para entender los sistemas termodin micos.
Existe una ley cero de la termodin mica que establece la existencia de una propiedad transitiva, en el sentido de que:
• Si los sistemas A y B tienen la misma temperatura.
• Si los sistemas A y C tienen la misma temperatura.
Entonces, necesariamente los sistemas B y C tendr n la misma temperatura.
La primera ley de la termodin mica establece que la energ a siempre se conserva.
Mientras que en la mec nica se enuncia una conservaci n similar restringida a sistemas no disipativos (por ejemplo, excluyendo el rozamiento), en la termodin mica se generaliza considerando no solo el trabajo mec nico, sino tambi n el calor generado o absorbido por el sistema.
En este sentido, la conservaci n de la energ a postulada en la termodin mica no tiene restricciones y es aplicable a todos los sistemas, siempre y cuando se consideren todos los intercambios y conversiones de energ a posibles.
La primera ley de la termodin mica establece que la energ a se conserva y, en particular, que existen dos formas de modificar la energ a interna del sistema, conocida como la energía interna ($U$). Esto se logra ya sea agregando o eliminando el contenido calórico ($Q$) y realizando trabajo sobre el sistema o permitiendo que el sistema realice trabajo, representado por el trabajo efectivo ($W$).
La segunda ley restringe estos procesos, limitando la conversi n de la energía interna ($U$) y el trabajo efectivo ($W$). En este sentido, establece que no es posible que toda la energ a el diferencial de la energía interna ($dU$) se convierta completamente en trabajo til el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$), lo que significa que el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$) nunca puede ser nulo. En otras palabras, es imposible convertir energ a interna en trabajo mec nico sin experimentar una p rdida en forma de calor (el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$)).
Una segunda consecuencia de la segunda ley es que se hace necesario introducir una nueva variable, que cumple la funci n de el volumen ($V$) para el trabajo efectivo ($W$), teniendo en cuenta que el contenido calórico ($Q$) desempe a su papel como receptor de energ a no aprovechada para la creaci n de trabajo. Esta nueva variable se denomina la entropía ($S$), y la tercera ley exige que su variaci n ( ERROR:8737) sea siempre positiva o nula, pero nunca negativa.
En un sistema, un subsistema puede experimentar una disminuci n de la entrop a ($\Delta S_{sub}<0$), pero el sistema completo debe mantener la entrop a constante o experimentar un aumento en la misma ($\Delta S_{total}\geq 0$), de acuerdo con la tercera ley.
La segunda ley de la termodin mica se formula a partir de varias publicaciones [1,2], estableciendo que no es posible convertir por completo la energ a en trabajo til. La diferencia entre estas cantidades se relaciona con la energ a no aprovechable el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$), que corresponde al calor generado o absorbido en el proceso la temperatura absoluta ($T$).
En el caso de el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$), existe una relaci n entre la variable intensiva la presión ($p$) y la variable extensiva el volumen ($V$), expresada como:
Una variable intensiva se caracteriza por definir el estado del sistema y no depender de su tama o. En este sentido, la presión ($p$) es una variable intensiva, ya que describe el estado de un sistema independientemente de su tama o. Por otro lado, una variable extensiva, como el volumen ($V$), aumenta con el tama o del sistema.
En el caso de el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$), se necesita una variable extensiva adicional que complemente la variable intensiva la temperatura absoluta ($T$) para definir la relaci n como sigue:
Esta nueva variable, que llamaremos la entropía ($S$), se presenta aqu en su forma diferencial (la variación de la entropía ($dS$)) y modela el efecto de que no toda la energ a el diferencial de la energía interna ($dU$) puede convertirse completamente en trabajo til el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$).
[1] " ber die bewegende Kraft der W rme und die Gesetze, welche sich daraus f r die W rmelehre selbst ableiten lassen" (Sobre la fuerza motriz del calor y las leyes que de ella se pueden derivar para la teor a del calor misma), Rudolf Clausius, Annalen der Physik, 1850
[2] "On the Dynamical Theory of Heat" (Sobre la teor a din mica del calor), William Thomson (Lord Kelvin), Transactions of the Royal Society of Edinburgh, 1851
La tercera ley de la termodin mica [1] establece que a medida que la la temperatura absoluta ($T$) de un sistema se aproxima al cero absoluto, la la entropía en el limite temperatura nula ($S$) de una sustancia cristalina perfecta se aproxima a un valor m nimo, t picamente cero. Esto implica que es imposible alcanzar el cero absoluto a trav s de un n mero finito de procesos porque la entrop a se volver a constante. Esencialmente, la tercera ley establece que la entrop a de un cristal perfecto en el cero absoluto es cero y destaca la inalcanzabilidad del cero absoluto debido a la cantidad infinita de energ a necesaria para su eliminaci n.
Esta ley tiene implicaciones significativas para comprender el comportamiento de los materiales a temperaturas muy bajas y proporciona un punto de referencia fundamental para calcular los valores de entrop a.
[1] " ber die Berechnung chemischer Gleichgewichte aus thermischen Messungen" (Sobre el c lculo de los equilibrios qu micos a partir de mediciones t rmicas), Walther Nernst, Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu G ttingen, Mathematisch-Physikalische Klasse, 1906
El diferencial de la energía interna ($dU$) siempre es igual a la cantidad de el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$) suministrada al sistema (positiva) menos la cantidad de el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$) realizada por el sistema (negativa):
El diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$) es igual a la presión ($p$) multiplicado por la variación del volumen ($\Delta V$):
Con la primera ley de la termodin mica, se puede expresar en t rminos de el diferencial de la energía interna ($dU$), el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$), la presión ($p$) y la variación del volumen ($\Delta V$) como:
El diferencial inexacto del calor ($\delta Q$) es igual a la temperatura absoluta ($T$) por la variación de la entropía ($dS$):
La dependencia de el diferencial de la energía interna ($dU$) de la presión ($p$) y la variación del volumen ($\Delta V$), adem s de la temperatura absoluta ($T$) y la variación de la entropía ($dS$), est dada por:
ID:(1337, 0)