[Juan eduardo gamboa venegas]Actividad 4. Cambios de energía y procesos termodinámicos en el Popo

2014

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Juan Gamboa

1. Identifiquen los procesos termodinámicos presentes en la siguiente imagen.

Se tiene el sistema abierto de lo que es el volcán, se define así, porque hay un intercambio de energía y materia con sus fronteras (volcán con la atmosfera) en forma de gases, ceniza, piedras, lava aire caliente, generados dentro del volcán.

Y también se tiene un sistema abierto en las nubes, ya que también hay un intercambio de energía en las fronteras de las nubes con la atmosfera que las rodea.

Por último se tienen estos dos sistemas dentro de otro más extenso y que los abarca a los dos (su espacio), es decir, la atmosfera, con la cual se intercambian energía con variables como la presión, temperatura y volumen de los gases con los cuales mantiene un equilibrio térmico entre estos tres sistemas identificados.

2. Describan la imagen usando las funciones de estado correspondientes.

El equilibrio térmico es la propiedad asociada a diferencias de temperatura, de las capas de aire que permiten que estas se muevan verticalmente en relación al medio que las rodea (la cima del volcán). Cuando una capa de aire se encuentra en balance hidrostático, significa que todas las fuerzas que actúa sobre ella se anulan entre sí; sin embargo, las diferencias de temperatura con el medio ambiente pueden hacer que la capa de aire inicie un movimiento ascendente, descendente u oscilatorio. Estos casos pueden dar origen a una fuerza resultante que produce una aceleración en dirección vertical. El equilibrio de la capa de aire puede ser estable, inestable o neutral.

En la imagen del volcán, se puede dar el fenómeno de proceso adiabático, como un intercambio neto de calor entre la capa de aire seco y el medio ambiente es cero, dq = 0. Ya que normalmente este proceso en la atmosfera se presenta de la siguiente manera: conforme las capas de aire cálido se elevan, entran en regiones de menos presión, permitiendo que su volumen aumente. El trabajo

hecho por el cambio de volumen de las capas ascendentes, genera una reducción en la energía interna (es decir, en la actividad molecular del gas), lo que a su vez disminuye la temperatura de las capas de aire subsecuentes.

Como ya identificamos, el volcán y sus sistemas, están rodeados por un tercero, que es la atmosfera terrestre, la cual, aparte de aire (y sus compuestos) tiene agua en forma de humedad (gas); de tal manera que en general se puede hablar de una atmosfera húmeda. De acuerdo a la ley de la presión de los gases, la presión atmosférica es la suma de las presiones parciales de cada uno de los gases que la constituyen, entonces, la humedad ejercerá una presión que se denomina presión de vapor. Para cualquier valor de la temperatura, la atmosfera sólo puede contener una cierta cantidad de vapor de agua; cuando se alcanza este límite, se dice que la atmosfera (o la capa de aire) está saturada y se define como la presión de vapor saturada.

El proceso adiabático que se da en el volcán es mediante las masas de aire en los sistemas del volcán, las nubes y la atmosfera. Adicionalmente, se entiende, que las masas de aire pueden calentarse o enfriarse mediante los siguientes mecanismos: a) absorción o emisión de radiación solar o terrestre; b) por contacto térmico con otras masas de aire; c) por la compresión o expansión; o d) por condensación o evaporación del vapor de agua, principalmente en los movimientos descendentes o ascendentes, de las mismas capas de aire. Todos estos procesos dan por resultado que la temperatura de la capa de aire, aumente o disminuya. (Cicese, 2010)

3. Utilicen la Primera Ley de Termodinámica para describir los sistemas termodinámicos de flujo estable y de flujo uniforme.

Por medio de la primera ley de la termodinámica podemos estudiar los procesos físicos de la atmosfera. Ya que cuando una capa de aire (el sistema) gana o pierde calor, los cambios en la energía interna se pueden representar en función del cambio en la temperatura, mientras que el trabajo hecho por o sobre el sistema, se puede representar en función de los cambios del volumen, o de la presión. Es decir, la temperatura de una capa de aire puede cambiar al agregar o quitar calor, o por cambiar la presión o el volumen de la capa de aire.

Cuando un sistema en un estado inicial dado sufre determinados procesos y finalmente regresa al estado inicial, se dice que el sistema ha pasado por un ciclo. (Cicese, 2010)

Tipos de procesos termodinámicosHay cuatro clase específicas de procesos termodinámicos que se dan con frecuencia en situaciones prácticas y que podemos resumir como “sin transferencia de calor” o adiabáticos, a “volumen constante” o isocóricos, “a presión constante” o isobáricos, y a “temperatura constante” o isotérmicos. Con algunos de ellos, podremos usar una versión simplificada de la primera ley de la termodinámica.

Proceso adiabáticoDefinimos un proceso adiabático como aquel donde no entra ni sale calor del sistema: Q = 0. Podemos evitar el flujo de calor ya sea rodeando al sistema con material térmicamente aislante o realizando el proceso con tal rapidez que no haya tiempo para un flujo de calor apreciable. Por la primera ley, para todo proceso adiabático,

Cuando un sistema se expande adiabáticamente, W es positivo (el sistema efectúa trabajo sobre su entorno), así que ΔU es negativo y la energía interna disminuye. Si un sistema se comprime adiabáticamente, W es negativo (el entorno efectúa trabajo sobre el sistema) y U aumenta. En muchos sistemas (aunque no en todos), el aumento de energía interna va acompañado por un aumento de temperatura; y una disminución de energía interna, de un descenso en la temperatura.

Por ejemplo, cuando salta el corcho de una botella de champaña, los gases presurizados dentro de la botella se expanden hacia el aire exterior con tal rapidez, que no hay tiempo para que intercambien calor con su entorno. Por ende, la expansión es adiabática. Conforme los gases se expanden realizan trabajo sobre su entorno, disminuyen tanto su energía interna como su temperatura; la temperatura más baja provoca que el vapor de agua se condense y forme una nube en miniatura.

El golpe de compresión en un motor de compresión interna es un proceso aproximadamente adiabático. La temperatura aumenta al comprimirse la mezcla aire-combustible en el cilindro. La

expansión del combustible quemado durante la descarga eléctrica también es aproximadamente adiabática, con un descenso de temperatura.

Proceso isocóricoUn proceso isocórico se efectúa a volumen constante. Si el volumen de un sistema es constante, no efectúa trabajo sobre su entorno; por lo que W = 0 y

En un proceso isocórico, toda la energía agregada como calor permanece en el sistema como aumento de energía interna. Calentar un gas en un recipiente cerrado de volumen constante es un ejemplo de proceso isocórico. Hay dos tipos de trabajo que no implican un cambio de volumen. Por ejemplo, efectuamos trabajo sobre un fluido agitándolo. En algunos libros, “isocórico implica que no se efectúa ningún tipo de trabajo.

Proceso isobáricoUn proceso isobárico se efectúa a presión constante. En general, ninguna de las tres cantidades: ΔU, Q y W es cero en un proceso isobárico, pero aun así es fácil calcular W. para la ecuación

Un ejemplo de proceso isobárico es hervir agua a presión constante

Proceso isotérmicoUn proceso isotérmico se efectúa a temperatura constante. Para ello, todo intercambio de calor con el entorno debe efectuarse con tal lentitud para que se mantenga el equilibrio térmico. En general, ninguna de las cantidades ΔU, Q y W es cero en un proceso isotérmico.

En algunos casos especiales, la energía interna de un sistema depende únicamente de su temperatura, no de su presión ni de su volumen. El sistema más conocido que posee esta propiedad especial es el gas ideal. En tales sistemas, si la temperatura es constante, la energía interna también los es: ΔU = 0 y Q = W. Es decir, toda la energía que entre en el sistema como calor Q deberá salir como trabajo W efectuado por el sistema.

La figura muestra una gráfica pv para cada uno de estos cuatro procesos con una cantidad constante de gas ideal. La trayectoria seguida en un proceso adiabático (a a 1) se llama adiabática. Una línea vertical (volumen constante) es una isocórica; una línea horizontal (presión constante) es una isobárica; y una curva de temperatura constante (las líneas azul claro) es una isoterma. (Young & Freedman, 2009)

BibliografíaCicese. (2010). Termodinamica de la atmósfera. México D.F.: Cicese.mx.

Young, H. D., & Freedman, A. R. (2009). Física Universitaria. México D.F.: Pearson Educación.