Proceso termodinámico

En física, se denomina proceso termodinámico a la evolución de determinadas magnitudes (o propiedades) propiamente termodinámicas relativas a un determinado sistema termodinámico. Desde el punto de vista de la termodinámica, estas transformaciones deben transcurrir desde un estado de equilibrio inicial a otro final; es decir, que las magnitudes que sufren una variación al pasar de un estado a otro deben estar perfectamente definidas en dichos estados inicial y final. De esta forma los procesos termodinámicos pueden ser interpretados como el resultado de la interacción de un sistema con otro tras ser eliminada alguna ligadura entre ellos, de forma que finalmente los sistemas se encuentren en equilibrio (mecánico, térmico y/o material) entre sí.

De una manera menos abstracta, un proceso termodinámico puede ser visto como los cambios de un sistema, desde unas condiciones iniciales hasta otras condiciones finales, debidos a la desestabilización del sistema.

son los procesos cuyas magnitudes permanecen "constantes", es decir que el sistema cambia manteniendo cierta proporcionalidad en su transformación. Se les asigna el prefijoiso-.

Ejemplo:

• Isotérmico: proceso a temperatura constante
• Isobárico: proceso a presión constante
• Isométrico o isocórico: proceso a volumen constante
• Isoentálpico: proceso a entalpía constante
• Isoentrópico: proceso a entropía constante

Proceso isocórico

Un proceso isocórico, también llamado proceso isométrico o isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante; . Esto implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen, ya que éste se define como , donde  es la presión (el trabajo es positivo, ya que es ejercido por el sistema).

Aplicando la primera ley de la termodinámica, podemos deducir que , el cambio de la energía interna del sistema es:

para un proceso isocórico: es decir, todo el calor que transfiramos al sistema se sumará a su energía interna, . Si la cantidad de gas permanece constante, entonces el incremento de energía será proporcional al incremento de temperatura,

donde  es el calor específico molar a volumen constante. En un diagrama P-V, un proceso isocórico aparece como una línea vertical

Proceso isobárico

Proceso isobárico es aquel proceso termodinámico que ocurre a presión constante. En él, el calor transferido a presión constante está relacionado con el resto de variables.

Proceso adiabático

En termodinámica se designa como proceso adiabático a aquel en el cual el sistema (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno. Un proceso adiabático que es además reversible se conoce como proceso isentrópico. El extremo opuesto, en el que tiene lugar la máxima transferencia de calor, causando que la temperatura permanezca constante, se denomina como proceso isotérmico.

El término adiabático hace referencia a elementos que impiden la transferencia de calor con el entorno. Una pared aislada se aproxima bastante a un límite adiabático. Otro ejemplo es la temperatura adiabática de llama, que es la temperatura que podría alcanzar una llama si no hubiera pérdida de calor hacia el entorno. En climatización los procesos de humectación (aporte de vapor de agua) son adiabáticos, puesto que no hay transferencia de calor, a pesar que se consiga variar la temperatura del aire y su humedad relativa. El calentamiento y enfriamiento adiabático son procesos que comúnmente ocurren debido al cambio en la presión de un gas. Esto puede ser cuantificado usando la ley de los gases ideales.

Procesos politrópicos

Los procesos politrópicos son aquellos procesos termodinámicos para gases ideales que cumplen con la ecuación:  donde  es un número dado. Para el caso de procesos adiabáticos,  es igual a , el cual es un valor específico para cada sustancia. Este valor se puede encontrar en tablas para dicho caso.

Proceso isotérmico

Se denomina proceso isotérmico o proceso isotermo al cambio reversible en un sistema termodinámico, siendo dicho cambio atemperatura constante en todo el sistema. La compresión o expansión de un gas ideal puede llevarse a cabo colocando el gas en contacto térmico con otro sistema de Capacidad calorífica muy grande y a la misma temperatura que el gas; este otro sistema se conoce como foco calórico. De esta manera, el calor se transfiere muy lentamente, permitiendo que el gas se expanda realizando trabajo. Como la energía interna de un gas ideal sólo depende de la temperatura y ésta permanece constante en la expansión isoterma, el calor tomado del foco es igual al trabajo realizado por el gas: Q = W.

Una curva isoterma es una línea que sobre un diagrama representa los valores sucesivos de las diversas variables de un sistema en un proceso isotermo. Las isotermas de un gas ideal en un diagrama P-V, llamado diagrama de Clapeyron, son hipérbolas equiláteras, cuya ecuación es P•V = constante.

Una expansión isotérmica es un proceso en el cual un gas se expande (o contrae), manteniendo la temperatura constante durante dicho proceso, es decir que T₁ = T₂ para los estados inicial (1) y final (2) del proceso isotérmico. Aplicando el primer principio de la termodinámica se obtiene:

Entonces integrando la expresión anterior, tomando como estado inicial el estado 1 y estado final el estado 2, se obtiene:

 ..........(1)

Por la definición de trabajo dada en mecánica se tiene que:

Pero la fuerza  se puede expresar en función de la presión que se ejerce el gas, y el desplazamiento  se puede escribir como dx, entonces:

Pero Adx equivale a dV, el aumento en el volumen del gas durante esta pequeña expansión, entonces el trabajo efectuado por el gas sobre los alrededores como resultado de la expansión es:

 ..........(2)

Ahora reemplazando (1) en (2) se puede integrar:

 ..........(3)

Pero para integrar la tercera integral, es necesario conocer la forma de variación de la presión P con el volumen, durante el proceso tratado.

En el caso de tratar con gases ideales, se tendría la relación:

 ..........(4)

Por lo tanto reemplazando (4) en (3) se tiene que:

Como los valores n y R son constantes para cada gas ideal, y en este caso la temperatura también es constante, éstas pueden salir fuera de la integral obteniéndose:

Ahora integrando:

 ..........(5)

Pero se sabe que la energía interna depende sólo de la temperatura (Ver: La energía interna como función de la temperatura), y como en este proceso ésta se mantiene constante,no hay cambio en la energía interna del gas, por lo que la expresión (5) se reduce a:

Por lo tanto, en una expansión isotérmica de un gas perfecto, el calor de entrada es igual al trabajo efectuado por el gas.

Proceso isocórico

Un proceso isocórico, también llamado proceso isométrico o isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante; . Esto implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen, ya que éste se define como:

,

donde P es la presión (el trabajo es positivo,

ya que es ejercido por el sistema).

En un diagrama P-V, un proceso isocórico aparece como una línea vertical.

Cálculos del proceso

Puesto que no existe desplazamiento, el trabajo realizado por el gas es nulo.

Cálculo de la Variación de la Energía Interna (ΔU)

Aplicando la primera ley de la termodinámica, podemos deducir que ΔU, el cambio de la energía interna del sistema, es:

para un proceso isocórico, es decir a volumen constante, todo el calor que transfiramos al sistema aumentará a su energía interna U.

Cálculo del calor entregado

Si la cantidad de gas permanece constante, entonces el incremento de energía será proporcional al incremento de temperatura,

donde C_V es el calor específico

 molar a volumen constante.

Que es la hipoxia

La hipoxia está generalmente asociada con las alturas,a gran escalas, siendo llamada mal de montaña. Es especialmente grave en altitudes superiores a los 8.000 metros, pero a partir de los 3000 ya puede darse en algunas personas, y especialmente en animales como perros o gatos no acostumbrados a la altura o de poca edad. También puede ocurrir mientras se bucea, especialmente con sistemas re-respiradores de circuito cerrado, que controlan la cantidad de oxígeno que es respirado. También es un problema a tratar con los vuelos de avión, donde los pasajeros están expuestos a grandes alturas y cambio de presión, solucionándose con sistemas de acoplamiento atmosférico.

Los síntomas de la hipoxia generalizada dependen de la gravedad y la velocidad del ataque. Estos incluyen dolores de cabeza, fatiga, náuseas, inestabilidad, y a veces incluso ataques y coma. La hipoxia grave induce una coloración azul de la piel o cianosis (las células sanguíneas desoxigenadas pierden su color rojo y se tornan color azul).

La hipoxia puede deberse a diferentes factores: baja concentración de oxígeno en el ambiente, la presencia de algún gas que compite con el oxígeno, por lesiones pulmonares, entre otros.

La hipoxia también está siendo utilizada de forma programada, con buenos resultados a medio-largo plazo, por deportistas que buscan el aumento del rendimiento deportivo como consecuencia de la mejora global del sistema de transporte de oxígeno. El método más empleado es la llamada hipoxia intermitente, el cual, de forma cíclica y por espacios cortos de tiempo, el individuo inhala aire pobre en oxígeno intercalando en cada ciclo recuperaciones con aire ambiente. Para este proceso se utilizan sofisticadas y caras equipaciones que, mediante filtros especiales, generan aire con bajas concentraciones de oxígeno, simulando estancias que llegan a ser de hasta 7500 metros de altitud.

La hipoxia aumenta la producción de eritropoyetina; con esto aumenta la producción de hematíes (eritrocitos), hasta que la hipoxia desaparece.

como funciona una bolsa de aire

http://www.taringa.net/posts/autos-motos/14356781/Como-funcionan-los-Airbags.html

Leyes del Movimiento

Para poder entender para qué sirve una bolsa de aire, primero tenemos que recordar nuestro conocimiento sobre las leyes del movimiento. Primero, sabemos que los objetos en desplazamiento tienen un “impulso” (es el producto de la masa y la velocidad de un objeto). A menos que una fuerza exterior actúe sobre el cuerpo, éste continuará moviéndose a su velocidad actual y dirección. Dentro de los autos puede haber objetos sueltos y existen por supuesto los pasajeros. Si estos no están sujetos, seguirán moviéndose a la velocidad que viaja el auto, incluso si éste es detenido en una colisión.

Parar el impulso de un objeto, requiere la acción de una fuerza en un periodo de tiempo. Cuando el auto choca, la energía requerida para detener un cuerpo es demasiada porque el empuje del vehículo ha cambiado instantáneamente, mientras que el de los pasajeros no –por lo que no hay mucho tiempo para hacerlo. La meta en cualquier sistema suplementario para sujetar a los pasajeros, es ayudar a contenerlos haciendo el menor daño posible.

Lo que hace una bolsa de aire es detener la velocidad del pasajero a cero con poco o ningún daño. Las fuerzas con las cuales tiene que lidiar son enormes. La bolsa de aire tiene el espacio entre el pasajero y el volante, así como una fracción de segundo para poder detener el desplazamiento del conductor.

¿De qué está formada una bolsa de aire?

Hay tres partes que ayudan a lograr a disminuir el movimiento frontal o lateral de un pasajero al momento de un choque:
La bolsa está hecha de una tela de nylon muy delgada, la cual está doblada dentro del volante, tablero y más recientemente lo podemos ver en el poste A o B, así como en el techo.
El sensor, es el dispositivo que le dice a la bolsa de aire cuando inflarse. Ésta se agranda cuando hay una fuerza de colisión, similar a la de estamparse contra un muro con una velocidad de 16 a 24 Km/h. Un switch mecánico es activado cuando hay un cambio en la masa que genera un impulso eléctrico, el cual le dice a los a los sensores que un choque ha ocurrido.
Las bolsas de aire se inflan por la reacción química de ácido de sodio con nitrato de potasio para producir gas nitrógeno. Una fuerte explosión de nitrógeno es lo que hace que se hinchen, desde su depósito a una velocidad de más de 300 Km/h. Un segundo después, el gas se disipa rápidamente a través de unos pequeños hoyos en la bolsa, para que el pasajero se pueda mover.

Aunque todo el proceso pasa de 30 a 40 milésimas de un segundo, el tiempo adicional es suficiente para prevenir una herida mayor. La sustancia polvosa que sale de la bolsa de aire, es regularmente talco o maicena, el cual es usado por los fabricantes automotrices para mantener las bolsas flexibles y lubricadas mientras están guardadas.

¿por que razon flotan un globo aerostático?

Los globos aerostáticos contienen en su interior aire caliente. El mismo ingresa desde la parte inferior mediante un quemador a gas.
Este fluido, al estar mas caliente que el aire que rodea la globo, tiene menos peso. Como resultado, se obtiene una fuerza que ejerce la atmósfera sobre el globo, que hace que este suba. El fenómeno se explica mediante el Principio de Arquímedes, que es el mismo que permite que los barcos floten en el agua.

Pero también:

La ley de Charles establece una relación entre la temperatura y el volumen de un gas, cuando la presión permanece constante. A mayor temperatura, el gas ocupará mayor volumen.
Esto es lo que sucede en el quemador. Allí los gases de combustión salen a altas temperaturas, por lo que ocupan mucho volumen. Pero la masa de los gases se mantiene constante. Es decir, que dentro del globo hay menos masa que si estuviese inflado con aire a temperatura ambiente. Esto es lo que lo hace "mas liviano".

¿Por qué flota un globo lleno de helio?

Si ponés esta pregunta en internet, la respuesta más común dice que los globos flotan porque el helio es más liviano que el aire, pero resulta que esto no es precisamente correcto.

Más que una cuestión de peso la posibilidad de flotar se debe a un tema de densidad. La densidad es la cantidad de masa que tiene un objeto en un volumen determinado, dicho matemáticamente Densidad= Masa/Volumen.

Es claro que es imposible flotar en un cuerpo sólido, así que en general decimos que la flotación ocurre en los fluidos, para este efecto los físicos no hacemos mayor diferencia entre fluidos líquidos o gaseosos, como por ejemplo agua o aire. Así el hecho de que un cuerpo flote, o no, se puede explicar bajos los mismos principios ya sea en aire o agua.

Para descartar el asunto del peso les pongo un ejemplo que podemos contestar de la experiencia cotidiana: una tablita de madera flota en el agua, ahora, si ponemos a flotar una tonelada de la misma madera… ¿se hundiría? Y, ¿si son 10 toneladas?Pues… no, no importa cuanta pongamos siempre seguirá flotando en el agua, así que la cantidad de masa que tenga el cuerpo no es lo que determina su flotación.


El “Principio de Arquímedes"

habla sobre la fuerza que experimenta un cuerpo sumergido en un fluido, de él se desprende que la condición para que un objeto flote es que su densidad sea menor que la del fluido en el que se sumerge y que si su densidad es mayor el objeto se hundirá irremediablemente en el fluido. (Este es un buen momento para caer en cuenta de que nosotros, los seres vivos, existimos inmersos en un fluido gaseoso, el aire, y que nos “hundimos” en él porque nuestro cuerpo, que está hecho principalmente de agua, es más denso que el aire, por eso vivimos en la superficie terrestre). Existe una tercera posibilidad, que un cuerpo ni se hunda ni salga a flote, si no que se mantenga suspendido, para ello la densidad del cuerpo sumergido debe ser igual a la del fluido.


El globo es una membrana elástica de hule o látex, sabemos que esta membrana por si sola no flota lo que nos dice que su densidad es mayor que la del aire, pero el helio, a presión atmosférica, tiene un densidad menor que la del aire, lo suficientemente pequeña como para que al inflar el globo con helio el promedio de la densidad de ambos (helio y globo) sea menor que la del aire, el resultado es el que tanto nos divirtió (y aún nos divierte, espero) cuando éramos niños, un globo que se eleva por los aires.


Esto nos explica también porque un globo inflado con aire de nuestros pulmones no flota si no que más bien cae, nosotros exhalamos dióxido de carbono que es un poco más denso que el oxígeno, principal componente del aire que respiramos, el resultado es que un globo inflado por nosotros mismos tendrá una densidad media mayor que la del aire por lo que se “hundirá” en él.

El “Principio de Arquímedes" habla sobre la fuerza que experimenta un cuerpo sumergido en un fluido, de él se desprende que la condición para que un objeto flote es que su densidad sea menor que la del fluido en el que se sumerge y que si su densidad es mayor el objeto se hundirá irremediablemente en el fluido. (Este es un buen momento para caer en cuenta de que nosotros, los seres vivos, existimos inmersos en un fluido gaseoso, el aire, y que nos “hundimos” en él porque nuestro cuerpo, que está hecho principalmente de agua, es más denso que el aire, por eso vivimos en la superficie terrestre). Existe una tercera posibilidad, que un cuerpo ni se hunda ni salga a flote, si no que se mantenga suspendido, para ello la densidad del cuerpo sumergido debe ser igual a la del fluido.