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termodinámica · cómo fluye la energía

Las reglas del cambio, vistas por el calor y la energía

De la temperatura y la presión a la entropía y los ciclos, mira los caminos por donde viajan el calor y el trabajo.

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01Un estado es un conjunto de propiedades

Fija el alcance con un sistema y una frontera, y ve un estado como un conjunto de propiedades, un punto en el plano P-V

#globo#termo#olla a presion

02La presión y la temperatura miden el movimiento molecular

Los choques dan presión, la rapidez media da temperatura; equilibrio térmico, kelvin y la ley cero

#presion de llanta#termometro#presion del clima

03La presión y la temperatura deciden la fase de una sustancia

El diagrama P-T separa sólido, líquido y gas; más la cúpula de saturación P-v, puntos triple y crítico

#hielo derretido#agua hirviendo#hielo seco

04El trabajo de frontera es el área bajo la curva P-V

Expandir es trabajo; W = ∫P dV es el área bajo la curva, con dependencia del camino y convenio de signos

#piston de motor#jeringa#bomba de bicicleta

05La energía se conserva: dU = Q - W

La energía interna cambia en el calor que entra menos el trabajo que sale; U es de estado, con adiabático, isócoro y ciclos

#calentador de manos#aislante#termo

06La entalpía H = U + PV surge naturalmente a presión constante

H = U + PV. El calor a presión constante es ΔH, el trabajo de flujo es PV; por qué H es natural en flujo y presión constante

#caldera#calefactor#tuberia de vapor

07Gas ideal PV = nRT, y cada proceso traza distinto

PV=nRT ata P, V, T. El isotermo es hipérbola, isóbaro e isócoro son rectas, el adiabático una curva PV^γ más empinada

#globo#tanque de buceo#refrigerante

08Motor térmico: un ciclo que convierte calor en trabajo

Toma Q_H, entrega trabajo W, arroja Q_C. Un ciclo da Q_H = W + Q_C, eficiencia η = W/Q_H = 1 - Q_C/Q_H

#motor de auto#motor a reaccion#central termica

09La segunda ley: el calor tiene una dirección

El calor va de caliente a frío solo. Kelvin-Planck (η<1) y Clausius (un frigorífico necesita W) son una ley; los procesos reales son irreversibles

#cafe enfriandose#refrigerador#hielo derretido

10El ciclo de Carnot: el motor más eficiente

Dos isotermas + dos adiabáticas. η = 1 - T_C/T_H es el techo, fijado solo por el cociente de temperaturas; debajo, Q_H/T_H = Q_C/T_C

#motor de auto#refrigerador#central electrica

11La entropía: una medida de la dispersión y la flecha del tiempo

Una función de estado dS = dQ_rev/T. El universo cumple ΔS_total ≥ 0 (flecha del tiempo), igualdad solo si es reversible; estadísticamente S = k ln Ω

#tinta dispersa#hielo derretido#taza rota

12El ciclo de Rankine: la central de vapor

Cuatro partes: caldera, turbina, condensador, bomba. El cambio de fase intercambia calor casi a T constante con bomba mínima. η = W_net/Q_H

#central termica#central nuclear#turbina de vapor

13Los ciclos Otto y Diesel: motores de gasolina y diésel

Ciclos de gas, sin cambio de fase. Otto a V constante, Diesel a P constante. η = 1 − 1/r^(γ−1); el diésel gana con una r mayor

#auto de gasolina#auto diesel#motor de camion

14Refrigeración: hacer girar un ciclo al revés para subir el calor

Un motor al revés: el trabajo W mueve calor de frío a caliente. Q_H = Q_C + W, medido por COP = Q_C/W, COP de Carnot = T_C/(T_H−T_C)

#refrigerador#aire acondicionado#bomba de calor

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