Procesos Termodinámicos

¿Qué es Termodinámica?

Del griego, termo que significa «calor» y dínamis que significa «fuerza». Es la rama  de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de sistemas macroscópicos de materia y energía.

En el Campo de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de sistemas macroscópicos de materia y energía. En general, la Termodinámica estudia la transferencia de energía que ocurre cuando un sistema sufre un determinado proceso (termodinámico) que produce un cambio llevando de un estado a otro del sistema.

Procesos Termodinámicos

Cuando en un sistema se varían las variables termodinámicas: presión, temperatura, volumen, etc., se dice que se lo somete a un proceso termodinámico. Los distintos procesos termodinámicos pueden estudiarse mediante trayectorias en un diagrama Presión-Volumen (P -V). Estas trayectorias son características de cada tipo de proceso.

Primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica establece que,  cuando se añade calor Q a un sistema mientras éste  efectúa trabajo W, la energía interna U cambia en una cantidad igual a Q – W.  

La primera ley de termodinámica es la misma ley del principio de conservación de la energía, la cual exige que para todo sistema termodinámico se cumpla:

∆U = Q-W

Siendo ∆U la energía interna del sistema.

Proceso adiabático.

Se designa como proceso adiabático a aquel en el cual el sistema  (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno. Un proceso adiabático que es además reversible se conoce como proceso isentrópico.

El término adiabático hace referencia a elementos que impiden la transferencia de calor con el entorno.

Durante un proceso adiabático, la energía interna del fluido que realiza el trabajo debe necesariamente decrecer.

Es decir, que en este tipo de procesos se tiene que Q = 0. Que de acuerdo con la primera ley de la termodinámica, tenemos que:

Q= ∆U +W

Como Q =0, entonces,                 ∆U = -W.

Ejemplos: 

Los procesos adiabáticos son comunes en la atmósfera: cada vez que el aire se eleva, llega a capas de menor presión, como resultado se expande y se enfría adiabáticamente. Inversamente, si el aire desciende llega a niveles de mayor presión, se comprime y se calienta.

Proceso isotérmico.

Se presenta cuando la temperatura del sistema, permanece constante independientemente de los cambio de presión o volumen que sufran. Este proceso se rige por la ley de Boyle-Mariotte de Robert Boyle (1626-1691).

Como la energía interna de una gas ideal sólo es función de la temperatura, en un proceso isotérmico de un gas ideal la variación de la energía interna es cero (∆U= 0) La curva hiperbólica se conoce como isotérmica.

Si un proceso isotérmico formado por un gas experimenta una expansión isotérmica, para que la temperatura permanezca constante la cantidad de calor recibido debe ser igual al trabajo que realiza durante la expansión. Pero si presenta una compresión isotérmica, para que la temperatura también permanezca constante el gas tiene que liberar una cantidad de calor igual al trabajo desarrollado sobre él.De acuerdo  con la primera ley de la termodinámica tenemos:

Q = ∆U +W.

Como ∆U = 0, entonces,             Q = W

Una analogía sería considerar al cuerpo humano como ejemplo de sistema isotérmico, ya que para su correcto funcionamiento, debe mantener una temperatura constante alrededor de 36°, aunque en ciertos momentos experimente cambios en volumen o presión.

Proceso isobárico.

Es un proceso termodinámico en el cual la presión permanece constante, en este proceso, como la presión se mantiene constante, se produce una variación en el volumen, no importando si el gas sufre una compresión o una expansión.  y por tanto el sistema realiza trabajo o se puede realizar trabajo sobre el sistema.

De acuerdo con la primera ley de la termodinámica, tenemos:

 Q = ∆U +W

Ejemplos:

Como el contenedor está abierto, el proceso se efectúa a presión atmosférica constante. La presión permanece constante, de forma tal que entre mayor sea la temperatura el volumen desprendido aumenta.

Proceso isométrico o isocórico

En este proceso el volumen permanece constante, es decir que en este tipo de proceso el volumen no varía y por tanto el trabajo es igual a cero, lo que significa que W= 0.

En el proceso isobárico el calor suministrado se usa para aumentar la energía interna y efectuar trabajo, mientras que en el proceso isocórico todo el calor se usa para incrementar exclusivamente la energía interna.

De acuerdo con la primera ley de la termodinámica tenemos:
Q = ∆U +W
Como W=0, entonces                    Q = ∆U 

Ejemplos:

En un recipiente de paredes gruesas que contiene un gas determinado, al que se le suministra calor, observamos que la temperatura y presión interna se elevan, pero el volumen se mantiene igual.

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Referencias de Información:
https://es.wikipedia.org/wiki/Proceso_termodin%C3%A1mico 
http://www.fisicarecreativa.com/guias/procesos.pdf 
http://equipo1-fisica.blogspot.mx/