Tutoriales básicos de física

Segunda ley de la termodinámica

Para explicar los procesos termodinámicos irreversibles, los científicos formularon la segunda ley de la termodinámica. Esta ley explica qué procesos pueden ocurrir en el universo y cuáles no. Un científico llamado R.J.E. Clausius (1822-1888) hizo la siguiente afirmación:

Naturalmente, el calor se transfiere de los objetos de alta temperatura a los de baja temperatura; naturalmente, el calor no se transfiere de los objetos de baja temperatura a los de alta temperatura (Segunda ley de la termodinámica: enunciado de Clausius).

El enunciado de Clausius es uno de los enunciados especiales de la segunda ley de la termodinámica. Se denomina así porque se aplica únicamente a un proceso: la transferencia de calor. Dado que este enunciado no se relaciona con otros procesos, necesitamos un enunciado más general. El desarrollo de un enunciado general de la segunda ley de la termodinámica se basa en el estudio de las máquinas térmicas. Por lo tanto, primero analizaremos el calor generado por las máquinas.

Procesos termodinámicos: isotérmico, adiabático, isocórico, isobárico

Artículo Procesos termodinámicos: isotérmico, adiabático, isocórico, isobárico

Existen cuatro procesos termodinámicos, a saber: procesos isotérmicos, isocóricos, isobáricos y adiabáticos.

Proceso isotérmico (temperatura constante)

En un proceso isotérmico, la temperatura del sistema se mantiene constante. Teóricamente, el sistema analizado es un gas ideal. La temperatura de un gas ideal es directamente proporcional a su energía interna (U = 3/2 n RT). Como T no cambia, U tampoco cambia. Por lo tanto, si se aplica al proceso isotérmico, la primera ley de la ecuación termodinámica se convierte en:

Primera ley de la termodinámica

Proceso termodinámico

El calor (Q) es la energía que se transfiere de un objeto a otro debido a la diferencia de temperatura. En relación con los sistemas y los entornos, el calor es la energía que se mueve del sistema al entorno o viceversa, debido a la diferencia de temperatura. Si la temperatura del sistema es superior a la temperatura ambiente, el calor fluirá del sistema al entorno. Si la temperatura ambiente es superior a la del sistema, el calor fluirá del entorno al sistema.

El calor (Q) es la energía que se transfiere debido a la diferencia de temperatura, mientras que el trabajo (W) se relaciona con la transferencia de energía mediante trabajo. Por ejemplo, si el sistema realiza trabajo sobre el entorno, la energía se transfiere del sistema al entorno. A la inversa, si el entorno realiza trabajo sobre el sistema, la energía se transfiere del entorno al sistema.

Colisiones inelásticas

La ley de conservación de la energía cinética no se aplica en colisiones inelásticas. La ley de conservación del momento lineal sí se aplica en colisiones inelásticas si no actúa ninguna fuerza externa sobre los dos objetos que colisionan. En una colisión inelástica, dos objetos se adhieren o quedan unidos tras el impacto.

Ejemplo de pregunta 1.

Dos objetos tienen la misma masa, 1 kg. El objeto 1 se mueve sobre un plano horizontal a una velocidad de 10 m/s y choca con el objeto 2, que está en reposo. Tras la colisión, los dos objetos quedan unidos. ¿Cuál es la velocidad de los dos objetos después de la colisión?

Colisiones parcialmente elásticas

En las colisiones parcialmente elásticas, se aplica la ley de conservación del momento lineal, mientras que no se aplica la ley de conservación de la energía cinética. Durante la colisión, parte de la energía cinética se transforma en energía sonora, energía térmica y energía interna. El término «elástica» indica que, tras la colisión, los dos objetos no se adhieren entre sí, sino que rebotan.

Un ejemplo de colisión parcialmente elástica es la colisión unidimensional de dos canicas o dos bolas de billar.

Conservación del momento lineal

La ley de conservación del momento lineal establece que si no actúa ninguna fuerza externa sobre dos objetos que colisionan, el momento lineal de los objetos antes de la colisión es igual al momento lineal de los objetos después de la colisión.

p₁ + pag₂= pag₁ ' + p₂ ' …………………….. Ecuación 1.4

m₁v₁ +m₂ v₂ = m₁ v₁' + m₂ v₂'

Si después de la colisión ambos objetos se quedan pegados,

m₁v₁ +m₂ v₂ = (metro₁+m₂ ) v'

Colisiones perfectamente elásticas

Se denomina colisión elástica perfecta a la presencia de dos objetos cuyo momento lineal o energía cinética antes de la colisión es igual al momento lineal y la energía cinética de cada objeto después de la colisión. En otras palabras, en las colisiones elásticas perfectas se aplican las leyes de conservación del momento lineal y de la energía cinética. El término «elástica» indica que, tras la colisión, los dos objetos no se adhieren entre sí, sino que rebotan. El momento lineal de cada objeto se conserva.

El momento lineal de cada objeto se conserva.

Principio de trabajo y energía mecánica

El teorema del trabajo y la energía cinética establece que el trabajo neto, o el trabajo realizado por la fuerza neta, es igual al cambio en la energía cinética.

W_red= A_t - A_o= 1⁄2 m(v_t² - v_o²)

W_red Existen dos tipos de fuerzas: las fuerzas conservativas y las fuerzas no conservativas. Por lo tanto, el trabajo neto se compone del trabajo realizado por una fuerza conservativa y el trabajo realizado por una fuerza no conservativa.

W_c + W_nc = ΔKE

Trabajo realizado por fuerzas conservativas Energía potencial

Observemos un objeto que se mueve verticalmente hacia arriba y luego regresa a su posición inicial tras alcanzar una altura máxima. Cuando el objeto se mueve verticalmente hacia arriba, su peso realiza trabajo negativo sobre él. Al ascender, la altura del objeto aumenta, por lo que su energía potencial gravitatoria también aumenta. Se puede concluir que el trabajo negativo realizado por el peso es igual al aumento de la energía potencial gravitatoria (EP) del objeto.

Fuerza conservadora y fuerza no conservadora

1. Fuerza Conservadora

1.1 Peso (w)

Fuerza conservadora y fuerza no conservadora 1 Observe un objeto que se mueve verticalmente hacia arriba hasta alcanzar una altura máxima antes de descender hacia su posición inicial. Al moverse verticalmente hacia arriba una altura h, el peso actúa en dirección opuesta al desplazamiento. Por lo tanto, el peso realiza trabajo negativo sobre el objeto.

W = wh (cos 180^o) = – wh = – mgh

Tras alcanzar una altura máxima, el objeto se desplaza hacia abajo hasta su posición inicial una distancia h. Al descender, el peso actúa en la misma dirección que el desplazamiento. Debido a esto, el peso realiza trabajo positivo.