Guía de Estudio de Física: Energía y Termodinámica de la Universidad Miguel Hernández

UNIDAD 1. ENERGÍA Y TERMODINÁMICA

GRADO EN FARMACIA UNIVERSITAS Miguel Hernández Asignatura: FÍSICA Año académico: 2024-2025 GUÍA DE ESTUDIO

Contenido de la Unidad 1

1. Energía
2. Trabajo. Ley de conservación de la energía
3. Calor. Equilibrio térmico
4. Introducción a la Termodinámica
5. Primer Principio de la Termodinamica
6. Segundo Principio de la Termodinamica. Entropía. Máquinas térmicas
7. Tercer Principio de la Termodinamica. Energía libre de Gibbs
8. Ejercicios y problemas

Objetivos de la Unidad

• Familiarizarse con la nomenclatura termodinámica básica.
• Comprender el significado de temperatura y calor en los sistemas y procesos termodinámicos.
• Estudiar la forma matemática del principio de conservación de la energía, aplicarlo a sistemas y entender su importancia y consecuencias.
• Estudiar el concepto de entropía para comprender la tendencia al desorden y la espontaneidad de los procesos del mundo real.
• Explicar de forma intuitiva el funcionamiento de los sistemas biológicos mucho más complejos y, con frecuencia, lejos del equilibrio.

Bibliografía recomendada

• Física para la ciencia y la tecnología (Cap. 6, 7, 17-20). P.A. Tipler, G. Mosca. Reverté 2005
• Física para ciencias de la vida (Cap. 4). D. Jou Mirabent, J.E.Llebot, C.Pérez. McGraw-Hill 1994
• Física (Cap.8). M. Ortuño. Crítica-Grijalbo 1996
• Fisicoquímica para farmacia y biología (Cap. 9, 10 y 11)- P. Sanz Pedrero - Masson 1996

Departamento de Física Aplicada. Universidad Miguel Hernández 1UNIDAD 1. ENERGÍA Y TERMODINÁMICA FÍSICA

1. ENERGÍA

Como veremos a lo largo de este tema, existen muchas formas de energía. Por ejemplo, en una montaña rusa la energía eléctrica se convierte en energía potencial gravitatoria, de los pasajeros y de la vagoneta. Posteriormente, esta energía potencial se transforma en energía cinética, parte de la cual se vuelve a convertir en potencial. Finalmente, el rozamiento transforma la energía cinética y potencial en energía térmica. La energía química almacenada en los músculos de los pasajeros se convierte en energía sonora cada vez que alguien grita.

De manera general, se define energía como la capacidad que poseen los cuerpos para realizar un trabajo. Así, la energía total de un cuerpo o sistema varia si las fuerzas externas actúan sobre él (trabajo), o bien, si a causa de la diferencia de temperatura entre él y su entorno se transfiere energía (calor).

2. TRABAJO. LEY DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA

Si sobre un sistema actúa una fuerza externa constante generando un desplazamiento, el trabajo realizado será W = F . d J ( julio ) Teniendo en cuenta que tanto la fuerza como el desplazamiento son magnitudes vectoriales, la forma correcta de expresar el trabajo es el producto escalar entre ambos vectores, siendo 0 el ángulo formado entre la fuerza y el desplazamiento, en este caso en el eje x. Wx = F · dx → W x = Fx . Ax . cos @ En general, el trabajo realizado sobre una partícula que se desplaza del punto 1 al 2 se expresa como W = [ F . dx 1 2 Además, a partir de las fuerzas que actúan sobre un objeto, se puede calcular su aceleración y, por tanto, su posición y velocidad en cualquier instante. Según la segunda ley de Newton, la fuerza neta que actúa sobre una partícula en el eje x es Fx = m . ax Si dicha fuerza es constante, entonces la aceleración también lo es y, por tanto, el desplazamiento está relacionado con la velocidad inicial y final según, v2 = v? + 2. ax . Ax -> a x = 1 2.4x · (vị - vị) -> Fx = 2.Av (vị - v?) -> Wx = " (v? - v}) Este resultado se conoce como el teorema trabajo-energía cinética, y dice que: "el trabajo total realizado por las fuerzas que actúan sobre un objeto es igual a la variación de energía cinética de la misma". Así, la energía cinética es la energía asociada a la velocidad de la partícula, es decir, al movimiento. W = NE => Ec == m.v2

Departamento de Física Aplicada. Universidad Miguel Hernández 2FÍSICA UNIDAD 1. ENERGÍA Y TERMODINÁMICA

Tipos de Fuerzas y Conservación de la Energía

Teniendo en cuenta que sobre un sistema pueden actuar diferentes tipos de fuerzas, podemos hacer el siguiente estudio:

• Si sobre el sistema solo actúan fuerzas conservativas. Una fuerza es conservativa si el trabajo realizado es independiente de la trayectoria seguida por la partícula cuando se mueve de un punto a otro, entre este tipo de fuerzas se encuentra la gravedad. Por ejemplo, el trabajo necesario para elevar una barra de pesas de masa m, desde el suelo, hasta una altura h. El atleta para poder elevar la barra a dicha altura, tendrá que hacer una fuerza igual, pero en sentido contrario, al peso de la barra (fuerza conservativa). Así, se define la variación de energía potencial de un sistema como el trabajo total (cambiado de signo) realizado por todas las fuerzas conservativas internas. Wy = - Fy . Ay =- m . g . h = - AEp Teniendo en cuenta que, el trabajo total realizado sobre un sistema es igual a la variación de energía cinética del sistema, y que sobre el sistema sólo actúan fuerzas conservativas, se obtiene que la energía total del sistema es cero, en este caso, la energía total del sistema se define como energía mecánica. W total = W > AE =- AEp => ABC + AEp = AE mec = 0
• Si sobre el sistema actúan fuerzas conservativas y disipativas (no conservativas), como por ejemplo el rozamiento y la resistencia del aire. En este caso, el trabajo asociado a fuerzas disipativas es negativo e igual a la variación de la energía interna del sistema. Obteniéndose que la variación de la energía total del sistema es cero. W total = Wc +Wa -> AE. = - AEp -AU => AE +AED +AU = AEtotal = 0
• Si sobre el sistema actúan fuerzas conservativas y no conservativas, tanto aplicadas como disipativas. El trabajo aplicado está asociado a las fuerzas aplicadas mediante máquinas, que conllevan un consumo de combustible (energía). Es decir, para una determinada cantidad de energía interna liberada por la quema de combustible, se genera una cierta cantidad de trabajo aplicado y la diferencia se pierde aumentando la energía interna del medio. -AUmaq - Wa = AUmedio -> Wa = - AUmaq - AUmedio Así, la energía total del medio, la máquina y el sistema sobre el que la máquina produce trabajo se conserva, la suma de ellas es cero. Wt = Wd + Wa + Wc -> AEc = - AU - AUmaq - AUmedio - AEp => AEtotal + AUmedio + AUmaq = 0

Departamento de Física Aplicada. Universidad Miguel Hernández 3FÍSICA UNIDAD 1. ENERGÍA Y TERMODINÁMICA

Trabajo Total y Ley de Conservación

Por tanto, el trabajo realizado por todas las fuerzas es igual a la suma del trabajo realizado por todas las fuerzas, conservativas y no conservativas (disipativas y aplicadas). = Wnc + Wc = (Wa +Wa) +Wc W total Además, como acabamos de ver, actúen las fuerzas que actúen la variación de la energía en el sistema siempre es nula, es decir, se conserva. Este es el fundamento de la ley de conservación de la energía: "La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma".

3. CALOR. EQUILIBRIO TÉRMICO

Si dos sistemas a distinta temperatura se ponen en contacto, después de cierto tiempo igualarán sus temperaturas, es decir, la temperatura es la propiedad que poseen los cuerpos, tal que su valor para dos cuerpos es el mismo, siempre que estén en equilibrio térmico.

Medición de la Temperatura y Escalas Termométricas

El termómetro es el dispositivo físico capaz de medir cuantitativamente la variación de la temperatura. La temperatura se mide mediante cambios en una propiedad termométrica del dispositivo que es función de la temperatura. Por ejemplo, el termómetro de mercurio, actualmente de alcohol, utiliza los cambios de volumen producidos por la dilatación del mercurio (utiliza la diferencia de alturas). Las escalas termométricas suelen tomar 1 o 2 valores conocidos de referencia para fijar su escala, las temperaturas de ebullición y de congelación del agua, y la división entre estos dos puntos define la mínima unidad en cada escala.

(*) Nota: Relación entre escalas · Fahrenheit-Celsius: = > T(°C) =[T(ºF)-32] 5 · Kelvin-Celsius: = > T(K) =T(C) +273,15 Tc+ x 100 TK Tc TF+x_180 > 273,15=0+x -> x=273,15 100 L 100 5 ->100=>(212+x)->x =- 32

Definición y Transferencia de Calor

En general, el calor puede definirse como la energía en tránsito entre dos cuerpos con diferente temperatura y en contacto térmico. Esta energía en tránsito (transmisión de calor) se transfiere desde el sistema de mayor al sistema de menor temperatura (del que tiene mayor al que tiene menor energía interna) hasta que se alcanza el equilibrio térmico que equivale a igualar sus energías internas.

(*) Nota: Coloquialmente se utiliza la expresión "un cuerpo absorbe calor", pero desde un punto de vista físico lo correcto y adecuado es decir que "un cuerpo absorbe energía en forma de calor".

Departamento de Física Aplicada. Universidad Miguel Hernández 4FÍSICA UNIDAD 1. ENERGÍA Y TERMODINÁMICA

Calor Específico y Capacidad Calorífica

La temperatura de un cuerpo aumenta cuando se transfiere energía mediante calentamiento, generalmente, ya que los cambios de estado son una excepción (como veremos más adelante). La cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un sistema es proporcional a la variación de temperatura y a la masa de la sustancia, Q = m . c. . AT = n . C . AT = C . AT Definiéndose: - Calor específico de una sustancia (ce), es la capacidad calorífica por unidad de masa - Capacidad calorífica de una sustancia (C), es la cantidad de calor necesaria para aumentar un grado la temperatura de la sustancia. - Capacidad calorífica molar (3), es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado la temperatura de 1 mol de la sustancia

(*) Nota: la diferencia entre las definiciones anteriores son las unidades en las que se expresan, por ejemplo, para un mol de agua sus valores y unidades correspondientes son: Ce = 4,18 J/g.K PM agua = 18 g / mol 3 = 75,2 J/mol.K n = 1 mol → C = 75,2 J/mol También se suele utilizar como unidad de energía las calorías, cuya equivalencia con el Julio (S.I) es de: 1 cal = 4,18 J.

Cambios de Estado y Calor Latente

Sin embargo, para que tenga lugar un cambio de estado, por ejemplo, de sólido a líquido, es necesario suministrar energía a las partículas o moléculas que forman el sólido para que adquieran la energía cinética necesaria para vencer las fuerzas intermoleculares de atracción que lo caracterizan (se desordenen), y pasen al estado líquido de mayor energía interna (estructura menos ordenada). Por lo tanto, cuando a una sustancia se le suministra o extrae una cantidad de calor proporcional a su masa, denominado calor latente, se da un cambio de estado a temperatura constante. Q = m · L

(*) Nota: Los cambios de estado entre los estados de la materia, son: de líquido a vapor se denomina evaporación (el proceso contrario es la condensación), de sólido a líquido es la fusión (el proceso inverso es la congelación o solidificación), mientras que un sólido sublima cuando pasa a vapor (el paso contrario es la deposición). Coloquialmente nos referimos a todas las especies condensadas como gases, pero desde el punto de vista físico la palabra genérica es vapor. Ya que un gas se considera sólo a aquella especie que en condiciones normales se encuentra en estado gaseoso, por ejemplo, el oxígeno. Mientras que al resto de sustancias en estado gaseoso son vapores, como el vapor de agua.

Departamento de Física Aplicada. Universidad Miguel Hernández 5