Termodinàmica.
Transformació de l'energia

Energia tèrmica i combustió.
Efectes de la termodinàmica

Entropia

Primera llei de la termodinàmica

Primera llei de la termodinàmica

La primera llei de la termodinàmica va ser anunciada per Julius Robert von Mayer en 1841. Es tracta del principi de la conservació de l'energia.

Definició de la primera llei de la termodinàmica: L'energia total d'un sistema aïllat ni es crea ni es destrueix, roman constant. L'energia només es transforma d'un tipus a un altre. Quan desapareix una classe d'energia s'ha de produir una quantitat equivalent d'una altra classe.

Un cos pot tenir certa velocitat amb el que té energia cinètica. Si perd velocitat aquesta energia cinètica que perd es transforma en un altre tipus d'energia, ja sigui energia potencial (si adquireix alçada), energia calorífica (si existeix algun tipus de fregament que fa que s'escalfi), etc.

El mateix principi s'aplica a l'energia solar fotovoltaica i en l'energia solar tèrmica. Els àtoms de les partícules que formen el Sol contenen energia, mitjançant una reacció nucelar aquesta energia es transforma en radiació. La radiació solar que arriba a la Terra és captada pels panells solars fotovoltaics o els col·lectors tèrmics, que transformen aquesta energia en energia elèctrica (fotovoltaica) o energia calorífica (tèrmica).

Ara bé, veurem com es van arribar a tals conclusions.

Les màquines de vapor i la primera llei de la termodinàmica

El desenvolupament de la màquina de vapor va implicar l'inici del desenvolupament de la primera de les lleis de la termodinàmica. Es tracta de la primera vegada que es produeix una transformació termodinàmica per convertir energia tèrmica en energia mecànica.

Màquina de vapor Les primeres màquines de vapor o màquines tèrmiques van ser desenvolupades per primera vegada en l'època dels romans. Els romans van construir el primer dispositiu que utilitzava el vapor per a funcionar. Aquesta màquina de vapor consistia en un globus buit suportat per un pivot de manera que pogués girar al voltant d'un parell de monyons, un d'ells buit. Per aquest monyó es podia injectar vapor d'aigua, el qual escapava del globus cap a l'exterior per dos tubs doblegats i orientats tangencialment en direccions oposades i col·locats en els extrems del diàmetre perpendicular a l'eix del globus. En ser expel·lit el vapor, el globus reaccionava a aquesta força i girava al voltant del seu eix.

A partir d'aquest moment es van construir una gran quantitat de màquines de vapor que eren utilitzades per a diversos fins. Un dels usos de les màquines de vapor era el de bomba d'aigua per pujar l'aigua a les cases i disribuirla per les seves habitacions, o bé per aixecar pesos a través d'un cilindre i un pistó. A poc a poc les màquines de vapor s'utilitzaven per a una major quantitat d'usos a l'avez que el seu grau d'eficiència s'incrementaven.

El desenvolupament i perfeccionament continuar fins que la màquina de vapor es va transformar en la màquina habitual per a la navegació marina i el transport terrestre (locomotores), assolint-se assolir pressions de vapor molt altes i velocitats de pistó considerables. Tecnològicament les màquines de vapor van millorar moltíssim tot i que de moment científicament no es comptava amb una explicació completa del seu funcionament físic.

La idea principal de les màquines de vapor és convertir la màxima quantitat d'energia calorífica en un altre tipus d'energia: treball mecànic. De moment no existia una explicació científica, però entrant al segle XIX, a través d'experimentació, comença a entendre el seu significat.

Experiments de Rumford

Rumford, en 1798 realitza un experiment que va consistir d'un cilindre de bronze usat a un trepant d'acer filoso. Aquest trepant es forçava en contra de la part inferior del cilindre i al cilindre se li feia girar sobre el seu eix per mitjà d'una màquina perforadora operada amb cavalls. El cilindre i el trepant es col·locaven en una caixa hermètica plena d'aigua a temperatura ambient. Després d'operar el dispositiu cert temps, el cilindre i l'aigua es van escalfar, aquest escalfament va continuar fins a aconseguir l'ebullició de l'aigua.

Això implicava que l'aigua es va escalfar sense utilitzar foc, només a través de treball (del cilindre).

Els estudis decisius que van conduir a establir l'equivalència entre el treball mecànic i la calor van ser realitzats en 1840 per James Joule a la Gran Bretanya. Aquests estudis van estar inspirats en els treballs de Rumford.

Experiments de Joule

James Prescott Joule

James Joule va proposar un dispositiu que consistia d'un eix rotatori dotat d'una sèrie de paletes girant entre quatre conjunts de paletes estacionàries. El propòsit d'aquestes paletes era agitar el líquid que es col·locava en l'espai lliure entre elles. L'eix es connectava mitjançant un sistema de politges i cordes molt fines a un parell de masses de pes conegut.

Experiment de Joule

L'experiment consistia en enrotllar la corda subjectant les masses sobre les politges fins col·locar-les a una alçada determinada del sòl. En deixar caure les masses, l'eix girava la qual cosa al seu torn generava una rotació dels braços revolventes agitant el líquid contingut en el recipient. Aquest procés es repetia vint vegades i es mesurava la temperatura final del líquid agitat. Les parets del recipient eren hermètiques i estaven fabricades d'una fusta molt gruixuda per simular una paret adiabàtica.

Després d'una repetició acurada Joule va concloure que la quantitat de calor produïda per la fricció entre els cossos, siguin líquids o sòlids sempre és proporcional a la quantitat de treball mecànic subministrat.

Els seus experiments van ser repetits en diferents substàncies, tabulant els valors obtinguts de força mecànica (representada per la caiguda d'una massa per una certa distància), per elevar la temperatura d'un volum conegut de substància.

Primera llei de la termodinàmica

Els resultats obtinguts per Joule fan veure que per a sistemes aïllats del seu exterior, i als quals se'ls subministra la mateixa quantitat d'energia mecànica de maneres diferents, el canvi observat en el sistema és el mateix. En aquest experiment el canvi es registra per la variació de la temperatura del sistema.

És important observar que en aquests experiments el sistema no es mou, la seva energia cinètica és zero, no es desplaça respecte al nivell del sòl, la seva energia potencial roman constant i no obstant això, el sistema ha absorbit una certa quantitat d'energia. A aquesta energia en diem l'energia interna del sistema. Aquestes experiències serveixen per estendre aquesta observació a tot sistema termodinàmic i postular que: si a qualsevol sistema aïllat, li subministrem una certa quantitat d'energia mecànica W, aquesta només provoca un increment en l'energia interna del sistema U, per la quantitat O de manera que:

equació 1

Aquesta igualtat que puntualitza que l'energia s'aplica al sistema aïllat, constitueix la definició de l'energia interna U. L'existència d'aquesta quantitat per a qualsevol sistema és el postulat conegut com la primera llei de la termodinàmica.

Si els experiments de Joule o altres similars sobre altres sistemes es duran a terme sense prendre la precaució d'aïllar el sistema dels seus voltants, observaríem que:

equació 2

L'exemple més simple és el que passa a escalfar la mateixa quantitat de substància usada per Joule, però posant-la directament al foc fins a obtenir la mateixa variació en la temperatura Prendre les precaucions perquè cap altra de les propietats canviïn, vam concloure que la mateixa energia subministrada per W en els experiments de Joule, ara va ser subministrada pel foc, és a dir, una quantitat d'energia calorífica Q. és clar que l'energia que falta en l'equació anterior es deu a les pèrdues de calor provocades pel flux de calor de l' sistema a l'exterior, en virtut de les seves diferències de temperatura.

Llavors podem escriure:

equació 3

Això és: l'energia es conserva en tot procés si es té en compte la calor, entenent per procés el mecanisme mitjançant el qual un sistema canvia les seves variables o propietats termodinàmiques.

En resum podem dir, que la formulació matemàtica de la primera llei de la termodinàmica, equació anterior, conté tres idees afins:

  • L'existència d'una funció d'energia interna.
  • El principi de conservació de l'energia,
  • La definició de calor com a energia en trànsit
valoración: 3 - votos 6

Referències

Última revisió: 25 de setembre de 2016