Transformaciones termodinámicas

[Publio]

Hola, tengo muchas dudas teóricas sobre las transformaciones termodinámicas. Alguna la expongo a continuación. Si me pudierais ayudar os lo agradecería.

Si las condiciones iniciales son un recipiente con un émbolo que encierra un gas que está en equilibrio y le aplicamos calor:

En una expansión isóbara el volumen aumenta a presíón constante. Si el volumen aumenta, ¿no parece lógico pensar que el émbolo se desplaza porque el gas está empujándolo, es decir, está ejerciendo más presión que en las condiciones de equilibrio?

En una expansión isoterma el volumen aumenta y la presión disminuye. Aquí todavía peor, ¿cómo se puede desplazar el émbolo en el sentido de aumentar el volumen si la presión dismimuye?

[delmar7]

Hola

Son dudas muy cuerdas.

Expansión isobárica

Para que un par de valores, por ejemplo p (presión) y v (volumen específico) representen al estado termodinámico de un sistema por ejemplo, una sustancia gaseosa dentro de un recipiente y limitada también por la cara de un émbolo expuesto a la atmósfera, necesariamente, estos valores han de ser los mismos en todo punto del sistema, esto implica que el sistema esta en equilibrio termodinámico y tiende a permanecer en ese estado.Una transformación termodinámica, no ha de darse si todo permanece igual (incluyendo lo que rodea al sistema), para que haya un cambio, que constituya una sucesión de estados de equilibrio y en consecuencia se represente por una curva p vs v, algo tiene que cambiar, en la práctica es el medio que rodea al sistema, ha de cambiar en forma muy pequeña y lenta, en el caso de la expansión isobárica, un pequeño flujo de energía en forma de calor del medio que rodea hacia el sistema, genera un pequeño aumento de temperatura del sistema, que implica un pequeño aumento de la presión del sistema, la cual genera un desplazamiento pequeño del émbolo y por ende un aumento pequeño del volumen (tanto el volumen como el volumen específico) al hacerse con lentitud, se llega a un nuevo estado de equilibrio en donde la presión es la misma (atmosférica), pero el volumen y temperatura se incrementaron, esto se realiza nuevamente y asi sucesivamente, entonces este proceso una sucesión finita de pequeños cambios, se puede representar aproximadamente, por una sucesión de estados de equilibrio que se asemejan a un curva p vs v. Trata de entender la expansión isotérmica, como se provocaría. Estos cambios que constituyen sucesión de estados de equilibrio se llaman procesos cuasisestáticos

Saludos

[Publio]

Muchas gracias Delmar7. ¿Podemos decir, entonces, que el aumento transitorio de la presión del sistema en cada estadío intermedio es compensado por el desplazamiento del émbolo, que la vuelve a equilibrar con la atmosférica?

[Richard R Richard]

En una transformación isobarica, el émbolo se desplaza solo a una posición de equilibrio entre la presión interior y la atmosférica. Si aplicas calor el volumen aumenta desplazando el émbolo y la temperatura va en aumento, la idea es puedes dividir el proceso total como la suma de muchísimos procesos más pequeños o cuasiestaticos.

En la expansion isotermica, la presion cae, P por V es una constante y para mantener el embolo en la posicion expandida ,haz de aplicar fuerza, la integral de la fuerza de cada desplazamiento cuasiestatico del émbolo es lo que llamamos trabajo,

PD como complemento te invito a pasar por este artículo de mi blog

Termodinámica, resumen de conceptos básicos

Y los relacionados a él.

[Publio]

Gracias Richard. Voy a mirarme tu blog, a ver si me aclaro algo. Sé que algo falla en mi razonamiento pero, al final, siempre acabo en el mismo sitio: si transfiero energía al sistema, ya sea en forma de calor o de trabajo, la energía de las moléculas aumenta, su velocidad aumenta y los choques contra el émbolo también, por lo que la presión ejercida también debería aumentar, siendo la responsable, así, de que el volumen se expanda (si la transformación no es a volumen constante). No es así, pero no encuentro la trampa que me pongo.

[Richard R Richard]

por lo que la presión ejercida también debería aumentar, siendo la responsable, así, de que el volumen se expanda (si la transformación no es a volumen constante). N.

Justamente esa es tu trampa.
Eso no necesariamente es cierto cuando la energía que se aporta al sistema proviene del trabajo para tirar del embolo para que se expanda el el volumen.Recuerda que el trabajo que se aplica es energía que enra al sistema, y que el trabajo que hace el sistema es energía que pierde. los signos en las formulas el primer principio son una convención matematica, lo que realmente importa es cuano el sistema tiene mas o menos energía.

[Publio]

Entiendo lo que me explicas, pero luego pienso que el trabajo, al final, vendrá determinado por la fuerza ejercida por todas las moléculas del gas contra el émbolo, y si hay más moléculas que chocan contra él por unidad de tiempo, la fuerza por unidad de superficie, es decir, la presión, también debería ser mayor.

[Richard R Richard]

Exacto, cuanto mas expandes, el modulo la fuerza para mover el piston se incremente, el trabajo necesario se incremente es la integral de la fuerza durante todo el trayecto recorrido, como resultado ese sistema estirado tiene mas energía que el original, c cuando los dos estan a la misma temperatura.

[Publio]

Perdona Richard, ahora no entiendo muy bien lo que me quieres decir, debo estar un poco espeso. ¿Si hay más energía, por qué hay menos presión?

[delmar7]

Muchas gracias Delmar7. ¿Podemos decir, entonces, que el aumento transitorio de la presión del sistema en cada estadío intermedio es compensado por el desplazamiento del émbolo, que la vuelve a equilibrar con la atmosférica?

Exacto

Saludos

[delmar7]

Perdona Richard, ahora no entiendo muy bien lo que me quieres decir, debo estar un poco espeso. ¿Si hay más energía, por qué hay menos presión?

Te respondo a esta interrogante, hay menos presión por que el gas ocupa más volumen, la energía cinética de las moléculas se mantiene constante por que la temperatura no varía; pero su energía potencial aumenta, por que la distancia media entre ellas ha aumentado (aumento de volumen) en consecuencia, la energía total de las moléculas es mayor y por ende la energía del sistema; al ser mayor el volumen los impactos de las moléculas contra las paredes del recipiente se hacen menos frecuentes y por ello disminuye la presión

[Publio]

Gracias Delmar7. Siento seguir dándole vueltas al asunto. Entiendo el razonamiento a nivel marcrosópico: si el volumen aumenta, la presión es menor porque la misma cantidad de gas se reparte en mayor superficie. Pero a nivel molecular me pregunto qué es lo que causa ese aumento de volumen mantenido en el tiempo, y no encuentro otra causa que el aumento de choques de las moléculas contra la superficie del émbolo, lo que me lleva a pensar en un aumento de la presión para justificar ese empuje sobre el émbolo. Y no salgo de ese círculo vicioso.

[Richard R Richard]

Gracias Delmar7. Siento seguir dándole vueltas al asunto. Entiendo el razonamiento a nivel marcrosópico: si el volumen aumenta, la presión es menor porque la misma cantidad de gas se reparte en mayor superficie. Pero a nivel molecular me pregunto qué es lo que causa ese aumento de volumen mantenido en el tiempo, y no encuentro otra causa que el aumento de choques de las moléculas contra la superficie del émbolo, lo que me lleva a pensar en un aumento de la presión para justificar ese empuje sobre el émbolo. Y no salgo de ese círculo vicioso.

Lo que sigues sin ver es que partiendo de un estado de equilibrio, para lograr expandir isotermicamente, tu debes tirar con fuerza del pistón aumentando el volumen del cilindro hasta el volumen final mayor que el inicial y mantenerlo en el tiempo, como las moléculas permanecen a la misma temperatura dada la definición del proceso, su velocidad y energía cinética permanecen constantes, pero como ahora hay más espacio tardan más tiempo en chocar con las paredes.
Reducir el número de choques en el tiempo es lo mismo que decir baje la presion.
Recuerdas la ley de Boyle y Mariotte https://es.m.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Boyle-Mariotte

$PV=Cte$

$P_iV_i=P_fV_f$

Debes mantener la fuerza en el tiempo ya que dentro hay menos presión que la atmosférica inicial

$P\downdownarrows=\dfrac{P_{atm}V_{ini}}{V_f\upuparrows}$

[Publio]

Richard, gracias por vuestra paciencia. Creo que veo la luz al final del túnel con lo que apuntas. ¿Debo entender, entonces, que el trabajo realizado para elevar el pistón lo realiza el entorno y no el gas?

[Richard R Richard]

Si piensas que el trabajo lo hace el gas,es en contra de la diferencia presión en el émbolo, por lo que en vez de hacer trabajo lo recibe, resultado gana energía.
Es más fácil verlo pensando que el medio realiza trabajo sobre el sistema y le hace ganar energía.