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Fisica. Termodinámica


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104 Respuesta(s) a este Tema

#101 Ge. Pe.

Ge. Pe.

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Publicado el 31 agosto 2008 - 09:35

CITA(trula @ Aug 31 2008, 02:20 AM) Ver Mensajes
necesito ayuda en 2 experimentos:

1) porque a medida que el hielo se va cortando muy lentamente el hielo sigue pegado, es decir, porque a medida que va bajando el corte, la parte de arriba del hielo se vuelve a juntar.

2) ¿Porque el agua hervida al interior de una botella y tapada con un tapón (corcho) se mantiene ebullendo al momento de bombear ( puede quitar o añadir aire no se) con un sellador de tapones para vino?
Alguien sabe?
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Estimada (o) Trula
Opiniones solamente...

En la primera pregunta se deberia a que se restablecen los puentes de hidrogeno en la parte superior.

La segunda tal vez a la presion que ejerce el vapor de agua en la superifice...

No se física como para ayudarla mas concretamente en estas preguntas, esperamos que entre un fiísico...

Por otra parte le dejo algo que puede interesarle...


http://www.geocities...sica/index.html






149. La ebullición del agua.


¿Qué agua -sin hervir o hervida- empieza a hervir antes que la otra bajo condiciones iguales?


El agua no hervida empezará a bullir antes, pues contiene aire disuelto. Para explicar, por qué el aire presente en el agua acelera la ebullición, hay que examinar algunos detalles. Helos aquí.

La ebullición, a diferencia de la evaporación, consiste en que aparecen burbujas de vapor en el seno del líquido que se calienta. Esto sólo es posible cuando la presión del vapor supera la presión atmosférica sobre la superficie de líquido, que se transmite a su interior con arreglo a la ley de Pascal.

Consta que a los 100 °C la presión del vapor de agua saturante es igual a la atmosférica. No obstante, esto sólo se refiere al caso cuando el vapor satura el espacio encima de la superficie del agua plana. En el seno de la burbuja que se forma en el agua, la presión del vapor saturado debe ser menor que la atmosférica, es decir, menor que junto a la superficie del agua plana a la misma temperatura. La causa de este fenómeno consiste en que la superficie cóncava de líquido vuelve a captar fácilmente las moléculas desprendidas de ella. Por consiguiente, cuando hay relativamente pocas moléculas liberadas, la cantidad de moléculas que se liberan cada segundo dentro de la burbuja debe equivaler a la de moléculas capturadas. Se trata, pues, del estado de saturación, cuando un espacio dado contiene, a una temperatura determinada, la cantidad máxima de vapor, y cuando la presión del vapor también es máxima. De modo que queda claro que la presión máxima del vapor en el seno de la burbuja es menor que encima de la superficie del agua plana, donde equivale a la atmosférica. Cuanto más cóncava es la superficie de agua, es decir, cuanto menor es el radio de la burbuja, tanto menor será la presión máxima del vapor. Por ejemplo, dentro de una burbuja de 0,01 pm de radio, a los 100 °C la presión del vapor saturante es de 750 mm de mercurio en vez de 760 mm de mercurio.

Resulta, pues, que el agua no debe empezar a bullir a los 100 °C, como establece la teoría, sino a una temperatura mayor, es decir, cuando el vapor cree en el agua una presión más alta, igual a la atmosférica. Por esta razón, el agua hervida previamente, que ya no contiene aire disuelto, tarda más en empezar a bullir. En cambio, la ebullición dura menos, se desprende mayor cantidad de vapor, y el agua tarda poco tiempo en calentarse hasta la temperatura normal de ebullición (100 °C) a consecuencia del consumo intenso de calor para la evaporación.

La ebullición del agua sin hervir que contiene aire disuelto transcurre de una manera distinta.

Como la solubilidad de los gases disminuye al aumentar la temperatura, el exceso de aire debe desprenderse del líquido que se calienta. Precisamente este aire forma burbujas. Los primeros glóbulos que aparecen en el agua sin hervir durante el calentamiento, no contienen vapor, sino aire, y sólo poco rato después empiezan a desprenderse de su superficie interna moléculas de vapor de agua. Hay que tener en cuenta que a las primeras burbujas de vapor, las más pequeñas, les cuesta más trabajo formarse, puesto que la presión del vapor de agua en ellas es muy reducida. Cuando terminan estas dificultades, es decir, cuando de una u otra forma aparecen burbujas, se facilita considerablemente el proceso de formación de vapor en ellas, y su tamaño aumenta. Este hecho explica, por qué el agua no hervida con aire disuelto no tarda tanto en empezar a hervir como la hervida previamente.

Maxwell logró sobrecalentar hasta 180 °C (a presión normal y creando ciertas condiciones complementarias) agua, de la cual había extraído, en la medida de lo posible, aire disuelto. Tal vez eliminando más aire, lograría calentarla hasta una temperatura mayor, sin que dejase de ser líquida.


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Mis disculpas por la poca ayuda...

Atte.
Ge. Pe.
Adm

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#102 Ge. Pe.

Ge. Pe.

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Publicado el 16 septiembre 2008 - 05:31




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En FisicaNet

http://www.fisicanet.com.ar


Monografías


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ORIGENES DE LA TERMODINAMICA


Introducción



Como muchas disciplinas, la termodinámica surge de los procedimientos empíricos que llevaron a la construcción de elementos que terminaron siendo muy útiles para el desarrollo de la vida del hombre.

Creemos que la termodinámica es un caso muy especial debido a que sus inicios se pierden en la noche de los tiempos mientras que en la actualidad los estudios sobre el perfeccionamiento de las máquinas térmicas siguen siendo de especial importancia, mas aun si tomamos en cuenta la importancia que revisten temas de tanta actualidad como la contaminación.

El origen fue sin lugar a dudas la curiosidad que despertara el movimiento producido por la energía del vapor de agua.

Su desarrollo fue tomando como objetivo principal el perfeccionamiento de las tecnologías aplicadas con el fin de hacer mas fácil la vida del hombre,reemplazando el trabajo manual por la máquina que facilitaba su realización y lograba mayor rapidez, estos avances que gravitaban directamente en la economía, por ello el inicio se encuentra en el bombeo de aguas del interior de las minas y el transporte.

Mas tarde se intensificaron los esfuerzos por lograr el máximo de rendimiento lo que llevó a la necesidad de lograr un conocimiento profundo y acabado de las leyes y principios que regían las operaciones realizadas con el vapor.

El campo de la termodinámica y su fuente primitiva de recursos se amplía en la medida en que se incorporan nuevas áreas como las referentes a los motores de combustión interna y últimamente los cohetes. La construcción de grandes calderas para producir enormes cantidades de trabajo marca también la actualidad de la importancia del binomio máquinas térmicas-termodinámica.

En resumen: en el comienzo se partió del uso de las propiedades del vapor para succionar agua de las minas, con rendimientos insignificantes, hoy se trata de lograr las máximas potencias con un mínimo de contaminación y un máximo de economía.

Para realizar una somera descripción del avance de la termodinámica a través de los tiempos la comenzamos identificando con las primitivas máquinas térmicas y dividimos su descripción en tres etapas, primero la que dimos en llamar empírica, la segunda la tecnológica y la tercera la científica.



I.- La etapa empírica



Los orígenes de la termodinámica nacen de la pura experiencia y de hallazgos casuales que fueron perfeccionándose con el paso del tiempo.

Algunas de las máquinas térmicas que se construyeron en la antigüedad fueron tomadas como mera curiosidad de laboratorio, otros se diseñaron con el fin de trabajar en propósitos eminentemente prácticos. En tiempos del nacimiento de Cristo existían algunos modelos de máquinas térmicas, entendidas en esa época como instrumentos para la creación de movimientos autónomos,sin la participación de la tracción a sangre.

El ingenio más conocidos por las crónicas de la época es la eolipila de Herón que usaba la reacción producida por el vapor al salir por un orificio para lograr un movimiento. Esta máquina es la primera aplicación del principio que usan actualmente las llamadas turbinas de reacción.

La historia cuenta que en 1629 Giovanni Branca diseñó una máquina capaz de realizar un movimiento en base al impulso que producía sobre una rueda el vapor que salía por un caño. No se sabe a ciencia cierta si la máquina de Branca se construyó, pero, es claro que es el primer intento de construcción de las que hoy se llaman turbinas de acción.

La mayor aplicación de las posibilidades de la máquina como reemplazante de la tracción a sangre consistía en la elevación de agua desde el fondo de las minas. Por ello la primera aplicación del trabajo mediante la fuerza del vapor cristaliza en la llamada máquina de fuego de Thomas Savery.

La máquina de Savery consistía en un cilindro conectado mediante una cañería a la fuente de agua que se deseaba bombear, el cilindro se llenaba de vapor de agua, se cerraba la llave de ingreso y luego se enfriaba, cuando el vapor se condensaba se producía un vacío que permitía el ascenso del agua.


II.- La etapa tecnológica.



Según lo dicho la bomba de Savery no contenía elementos móviles, excepto las válvulas de accionamiento manual, funcionaba haciendo el vacío, de la misma manera en que ahora lo hacen las bombas aspirantes, por ello la altura de elevación del agua era muy poca ya que con un vacío perfecto se llegaría a lograr una columna de agua de 10.33 metros, pero, la tecnología de esa época no era adecuada para el logro de vacíos elevados.

El primer aparato elemento que podríamos considerar como una máquina propiamente dicha, por poseer partes móviles, es la conocida como máquina de vapor de Thomas Newcomen construida en 1712. La innovación consistió en la utilización del vacío del cilindro para mover un pistón que a su vez proveía movimiento a un brazo de palanca que actuaba sobre una bomba convencional de las llamadas aspirante-impelente.

Podemos afirmar que es la primera máquina alternativa de la que se tiene conocimiento y que con ella comienza la historia de las máquinas térmicas.

Las dimensiones del cilindro, órgano principal para la creación del movimiento, eran: 53,3 cm de diámetro y 2,4 metros de altura, producía 12 carreras por minuto y elevaba 189 litros de agua desde una profundidad de 47,5 metros.

El principal progreso que se incorpora con la máquina de Newcomen consiste en que la producción de un movimiento oscilatorio habilita el uso de la máquina para otros servicios que requieran movimiento alternativo, es decir, de vaivén.

En esa época no existían métodos que permitieran medir la potencia desarrollada por las máquinas ni unidades que permitieran la comparación de su rendimiento, no obstante, los datos siguientes dan una idea del trabajo realizado por una máquina que funcionó en una mina en Francia, contaba con un cilindro de 76 cm de diámetro y 2,7 metros de altura, con ella se pudo completar en 48 horas una labor de desagote que previamente había requerido una semana con el trabajo de 50 hombres y 20 caballos operando en turnos durante las 24 horas del día.

La máquina de Newcomen fue perfeccionada por un ingeniero inglés llamado Johon Smeaton (1742-1792). Un detalle de la potencia lograda lo podemos ver en el trabajo encargado por Catalina II de Rusia quien solicitó bombear agua a los diques secos del fuerte de Kronstadt. Esta tarea demoraba un año usando molinos de viento de 100 metros de altura, la máquina de Smeaton demoró solamente dos semanas. Se debe destacar que el perfeccionamiento consistió en la optimización de los mecanismos, cierres de válvulas, etc.

El análisis de las magnitudes que entran en juego en el funcionamiento de la máquina de vapor y su cuantificación fue introducido por James Watt (1736-1819).

James Watt se propuso estudiar la magnitud del calor puesto en juego en el funcionamiento de la máquina, esto permitiría estudiar su rendimiento.

El mayor obstáculo que encontró Watt fue el desconocimiento de los valores de las constantes físicas involucradas en el proceso, a raíz de ello debió realizar un proceso de mediciones para contar con datos confiables.

Sus mediciones experimentales le permitieron verificar que la máquina de Newcomen solo usaba un 33% del vapor consumido para realizar el trabajo útil.

Los aportes de Watt son muchos, todos ellos apuntaron al logro de un mayor rendimiento, inventó el prensaestopa que actúa manteniendo la presión mientras se mueve el vástago del pistón, introdujo la bomba de vacío para incrementar el rendimiento en el escape, ensayó un mecanismo que convirtiera el movimiento alternativo en rotacional, en 1782 patentó la máquina de doble efecto (el vapor empuja en ambas carreras del pistón), ideó válvulas de movimiento vertical que permitían mantener la presión de la caldera mediante la fuerza de un resorte comprimido. Creó el manómetro para medir la presión del vapor y un indicador que podía dibujar la evolución presión-volumen del vapor en el cilindro a lo largo de un ciclo.

Con el objetivo de establecer una unidad adecuada para la medición de la potencia, realizó experiencias para definir el llamado caballo de fuerza. Determinó que un caballo podía desarrollar una potencia equivalente a levantar 76 kg hasta una altura de 1 metro en un segundo, siguiendo con este ritmo durante cierto tiempo, este valor se usa actualmente y se lo llama caballo de fuerza inglés.

Un detalle importante de las calderas de Watt es que trabajaban a muy baja presión, 0,3 a 0,4 kg/cm².

Los progresos tecnológicos aportados por James Watt llevaron la tecnología de la máquina de vapor a un refinamiento considerable. Se había avanzado en seguridad merced a la incorporación de válvulas, ya se contaba con unidades que daban cuenta de la potencia y el rendimiento, los mecanismos fueron elaborados con los mas recientes avances de la tecnología mecánica. Lo único que no entró en la consideración de Watt fue la posibilidad de usar calderas de mayor presión, su objetivo principal era la seguridad, y desde el punto de vista económico no requería perfeccionamiento, sus máquinas eran muy apreciadas y se vendían bien.

Después de Watt se consiguieron considerables avances en la utilización de calderas de muy alta presión, esta incorporación incrementó el rendimiento y, lo mas importante, favoreció el uso de calderas de menor tamaño que realizaban mayor trabajo que las grandes,además de mejorar el rendimiento del vapor las preparó para adaptarlas para su instalación en medios de transporte.

En agosto de 1807 Robert Fulton puso en funcionamiento el primer barco de vapor de éxito comercial, el Clermont, el mérito de Fulton consiste en la instalación y puesta en marcha de una máquina de vapor a bordo, no realizó innovaciones sobre la máquina en sí. Este barco cumplió un servicio fluvial navegando en el río Hudson.

En el año 1819 el buque de vapor Savannah, de bandera norteamericana realiza el primer viaje trasatlántico, ayudado por un velamen. El Britania fue el primer barco de vapor inglés, entró en servicio en 1840, desplazaba 1150 toneladas y contaba con una máquina de 740 caballos de fuerza, alimentada por cuatro calderas de 0.6 kg/cm cuadrado, desarrollando una velocidad de 14 km/h.

George Stephenson (1781-1848) fue el primero que logró instalar una máquina de vapor sobre un vehículo terrestre dando inicio a la era del ferrocarril.

En el año 1814 Stephenson logró arrastrar una carga de treinta toneladas por una pendiente de 1 en 450 a seis km por hora.

En 1829 la locomotora llamada Rocket recorrió 19 km en 53 minutos lo que fue un record para la época.



III.- Etapa científica.




Sadi Carnot (1796-1832) es el fundador de la termodinámica como disciplina teórica, escribió su trabajo cumbre a los 23 años. Este escrito estuvo desconocido durante 25 años hasta que el físico Lord Kelvin redescubriera la importancia de las propuestas contenidas en él.

Llamó la atención de Carnot el hecho de que no existieran teorías que avalaran la propuestas utilizadas en el diseño de las máquinas de vapor y que todo ello dependerá de procedimientos enteramente empíricos. Para resolver la cuestión propuso que se estudiara todo el procedimiento desde el punto de vista mas general, sin hacer referencia a un motor, máquina o fluido en especial.

Las bases de las propuestas de Carnot se pueden resumir haciendo notar que fue quien desarrolló el concepto de proceso cíclico y que el trabajo se producía enteramente "dejando caer" calor desde una fuente de alta temperatura hasta un depósito a baja temperatura. También introdujo el concepto de máquina reversible.

El principio de Carnot establece que la máxima cantidad de trabajo que puede ser producido por una máquina térmica que trabaja entre una fuente a alta temperatura y un depósito a temperatura menor, es el trabajo producido por una máquina reversible que opere entre esas dos temperaturas. Por ello demostró que ninguna máquina podía ser mas eficiente que una máquina reversible.

A pesar que estas ideas fueron expresadas tomando como base la teoría del calórico, resultaron válidas. Posteriormente Clausius y Lord Kelvin, fundadores de la termodinámica teórica, ubicaron el principio de Carnot dentro de una rigurosa teoría científica estableciendo un nuevo concepto, el segundo principio de la termodinámica.

Carnot también establece que el rendimiento de cualquier máquina térmica depende de la diferencia entre temperatura de la fuente mas caliente y la fría. Las altas temperaturas del vapor presuponen muy altas presiones y la expansión del vapor a bajas temperaturas producen grandes volúmenes de expansión. Esto producía una cota en el rendimiento y la posibilidad de construcción de máquinas de vapor.

En esta época todavía tenía vigencia la teoría del calórico, no obstante ya estaba germinando la idea de que esa hipótesis no era la adecuada, en el marco de las sociedades científicas las discusiones eran acaloradas.

James Prescott Joule (1818-1889) se convenció rápidamente de que el trabajo y el calor eran diferentes manifestaciones de una misma cosa. Su experiencia mas recordada es aquella en que logra medir la equivalencia entre el trabajo mecánico y la cantidad de calor. Joule se valió para esta experiencia de un sistema de hélices que agitaban el agua por un movimiento producido por una serie de contrapesos que permitían medir la energía mecánica puesta en juego.

A partir de las investigaciones de Joule se comenzó a debilitar la teoría del calórico, en especial en base a los trabajos de Lord Kelvin quien junto a Clausius terminaron de establecer las bases teóricas de la termodinámica como disciplina independiente. En el año 1850 Rudolf Clausius descubrió la existencia de la entropía y enunció el segundo principio:

Es imposible que una máquina térmica que actúa por sí sola sin recibir ayuda de ningún agente externo, transporte calor de un cuerpo a otro que está a mayor temperatura.

En 1851 Lord Kelvin publicó un trabajo en el que compatibilizaba los estudios de Carnot, basados en el calórico, con las conclusiones de Joule, el calor es una forma de energía, compartió las investigaciones de Rudolf Clausius y reclamó para sí el postulado del primer principio que enunciaba así..

Es imposible obtener, por medio de agentes materiales inanimados, efectos mecánicos de cualquier porción de materia enfriándola a una temperatura inferior a la de los objetos que la rodean.

Lord Kelvin también estableció un principio que actualmente se conoce como el primer principio de la termodinámica. Y junto a Rudolf Clausius derrotaron la teoría del calórico.



Situación actual:




Hoy se ha llegado a un interesante perfeccionamiento de las máquinas térmicas, sobre una teoría basada en las investigaciones de Clausius, Lord Kelvin y Carnot, cuyos principios están todavía en vigencia, la variedad de máquinas térmicas va desde las grandes calderas de las centrales nucleares hasta los motores cohete que impulsan los satélites artificiales, pasando por el motor de explosión, las turbinas de gas, las turbinas de vapor y los motores de retropropulsión. Por otra parte la termodinámica como ciencia actúa dentro de otras disciplinas como la química, la biología, etc.



Conclusión:




El desarrollo de la termodinámica tiene un origen empírico como muchas de las partes de la tecnología.

Una de las curiosidades en la aplicación temprana de efectos del vapor en la etapa que dimos en llamar empírica y que a lo largo de su desarrollo cambiara su origen en varias hipótesis, flogisto, calórico y finalmente energía.

Con Watt se logra el perfeccionamiento en la tecnología, se comprenden los principios básicos de la misma y se aíslan las variables que intervienen en el funcionamiento de la máquina, la introducción de la unidad para medir la potencia conduce al manejo de criterios de comparación.

Después de Watt comienza el desarrollo de las máquinas móviles con las realizaciones de Robert Fulton y George Stephenson.

también es importante marcar como las teorías de Carnot tienen aún validez en su forma original a pesar de haber estado fundamentadas en una hipótesis errónea, la del calórico. Carnot introduce tres conceptos fundamentales:

El concepto de ciclo o máquina cíclica.

La relación entre la "caída del calor de una fuente caliente a otra mas fría y su relación con el trabajo.

El concepto de máquina reversible de rendimiento máximo.

Gracias a Rudolf Clausius y Lord Kelvin se convierte a la termodinámica en una ciencia independiente de alto contenido teórico y matemático, lo que logra entender los fenómenos que se desarrollaban y fundamentar progresos tecnológicos.



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#103 Ge. Pe.

Ge. Pe.

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Publicado el 17 septiembre 2008 - 05:17






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Bibliografia:

A.- H. Curtis, Biologia 1972;

B.- El Cuarto Blanco

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El flujo de energía



Los sistemas vivos convierten la energía de una forma en otra a medida que cumplen funciones esenciales de mantenimiento, crecimiento y reproducción. En estas conversiones energéticas, como en todas las demás, parte de la energía útil se pierde en el ambiente en cada paso.

Las leyes de la termodinámica gobiernan las transformaciones de energía.

La primera ley establece que la energía puede convertirse de una forma a otra, pero no puede crearse ni destruirse. La segunda ley establece que en el curso de las conversiones energéticas, el potencial termodinámico -o energía potencial termodinámica- de un sistema en el estado final siempre será menor que el potencial termodinámico del mismo sistema en el estado inicial.

Otra manera de enunciar la segunda ley de la termodinámica es que todos los procesos naturales tienden a ocurrir en una dirección tal que la entropía (la medida del "grado de desorden" o de "aleatoriedad") del Universo se incrementa. Para mantener la organización de la cual depende la vida, los sistemas vivos deben tener un suministro constante de energía que les permita superar la tendencia hacia el desorden creciente. El Sol es la fuente original de esta energía.

Las transformaciones energéticas en las células vivas implican el movimiento de electrones de un nivel energético a otro y, frecuentemente, de un átomo o molécula a otro. Las reacciones de oxidación-reducción implican movimiento de electrones de un átomo a otro. Un átomo o molécula que pierde electrones se oxida; el que los gana se reduce.

El total de las reacciones químicas que ocurren en las células constituyen el metabolismo. Las reacciones metabólicas ocurren en series, llamadas vías, cada una de las cuales sirve a una función determinada en la célula. Cada paso en una vía es controlado por una enzima específica. Las reacciones escalonadas de las vías enzimáticas les permiten a las células llevar a cabo sus actividades químicas con una notable eficiencia, en lo que concierne a la energía y a los materiales.

Las enzimas funcionan como catalizadores biológicos. Así, disminuyen la energía de activación e incrementan enormemente la velocidad a la que se producen las reacciones químicas. Las reacciones catalizadas por enzimas están bajo un estricto control celular. Los principales factores que influyen sobre la velocidad de las reacciones enzimáticas son las concentraciones de enzima y de sustrato y la disponibilidad de los cofactores requeridos. Muchas enzimas son sintetizadas por las células o activadas sólo cuando son necesarias.

El ATP es el principal transportador de energía en la mayoría de las reacciones que tienen lugar en los sistemas vivos. Las células son capaces de llevar a cabo procesos y reacciones endergónicas (tales como reacciones biosintéticas, transporte activo o el movimiento de microtúbulos) acoplándolas a reacciones exergónicas que suministran un exceso de energía. Estas reacciones acopladas generalmente involucran a compuestos trifosfato como el ATP u otros. Las familias de enzimas denominadas quinasas y fosforilasas adicionan o remueven un grupo fosfato a otra molécula respectivamente. La transferencia de grupos fosfato -o fosforilación- cumple un papel importante en la regulación de muchas reacciones químicas de la célula.



Las leyes de la termodinámica




La primera ley de la termodinámica establece que la energía puede convertirse de una forma a otra, pero no puede crearse ni destruirse.

La energía puede almacenarse en varias formas y luego transformarse en otras.

Cuando los organismos oxidan carbohidratos, convierten la energía almacenada en los enlaces químicos en otras formas de energía. En una noche de verano, por ejemplo, una luciérnaga convierte la energía química en energía cinética, en calor, en destellos de luz y en impulsos eléctricos que se desplazan a lo largo de los nervios de su cuerpo. Las aves y los mamíferos convierten la energía química en la energía térmica necesaria para mantener su temperatura corporal, así como en energía mecánica, energía eléctrica y otras formas de energía química. En el caso de las reacciones químicas, esto significa que la suma de la energía de los productos de la reacción y la de la energía liberada en la reacción misma es igual a la energía inicial de las sustancias que reaccionan.

La segunda ley establece que en el curso de las conversiones energéticas, el potencial termodinámico -o energía potencial termodinámica- de un sistema en el estado final siempre será menor que el potencial termodinámico del mismo sistema en el estado inicial.

La diferencia entre los potenciales termodinámicos de los estados inicial y final se conoce como cambio en la energía libre (o de Gibss) del sistema y se simboliza como DG.


Las reacciones exergónicas (que liberan energía) tienen un DG negativo y las reacciones endergónicas (que requieren de energía) tienen un DG positivo. Los factores que determinan el DG incluyen DH, el cambio en el contenido de calor, y DS, el cambio en la entropía, que es una medida del comportamiento aleatorio o desorden del sistema. Estos factores se relacionan según la siguiente fórmula: DG=DH - TDS.

La entropía de un sistema es una medida del "grado de desorden" o "grado de aleatoriedad" de ese sistema.

Supongamos que dividimos el espacio contenido en una caja en pequeños compartimientos y queremos distribuir moléculas de dos gases -a las que llamaremos moléculas "blancas" y moléculas "negras"- en esos compartimientos. Hay muchas más maneras de disponer las moléculas dentro de la caja si no establecemos ninguna restricción que si pedimos, por ejemplo, que todas las moléculas "blancas" estén de un lado de la caja y todas las "negras" del otro.

Decimos que el sistema de moléculas está más "ordenado" en el último caso. Pero, ¿qué significa esto?

Si representamos el "orden" del sistema con el número de maneras de disponer sus elementos internamente, un número mayor de maneras de disponer los elementos implica un sistema menos ordenado, o bien, más desordenado. Diremos que la entropía del sistema está asociada al número de maneras mencionado, de forma que un sistema más desordenado posee mayor entropía.


Entonces, otra manera de enunciar la segunda ley de la termodinámica es que todos los procesos naturales tienden a ocurrir en una dirección tal que la entropía del Universo se incrementa. Para mantener la organización de la cual depende la vida, los sistemas vivos deben tener un suministro constante de energía que les permita superar la tendencia hacia el desorden creciente. El Sol es la fuente original de esta energía.





En la figura se muestran tres maneras distintas de disponer moléculas de dos gases diferentes en una caja con una restricción: las "moléculas blancas" se colocan de un lado y las "moléculas negras" del otro. Cuanto más restricciones pongamos, más ordenado está el sistema.



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#104 Ge. Pe.

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Publicado el 15 septiembre 2010 - 01:07





:estudiando

Recordando, mientras recuperamos imágenes de los aportes anteriores...

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ENTROPÍA





Entropía, función de estado que mide el desorden de un sistema físico o químico, y por tanto su proximidad al equilibrio térmico.



En cualquier transformación que se produce en un sistema aislado, la entropía del mismo aumenta o permanece constante, pero nunca disminuye.



Así, cuando un sistema aislado alcanza una configuración de entropía máxima, ya no puede experimentar cambios: ha alcanzado el equilibrio.



En el caso de dos gases puros que no reaccionan químicamente entre sí, que se encuentren encerrados, a la misma presión y temperatura, en sendos recipientes comunicados por una llave de paso, al abrir ésta, las moléculas de cada gas comenzarán a pasar de un recipiente a otro, hasta que sus concentraciones en ambos se igualen.  



Todo este proceso transcurre sin variación de presión, temperatura o volumen; no se intercambia en él trabajo alguno, ni existe variación de energía, pero ésta se ha degradado en la evolución del sistema desde el estado inicial hasta el final. Es decir, el valor energético de un sistema no depende tan sólo de la materia y la energía que contiene sino de algo más, la entropía, que expresa lo que hay en él de orden o de desorden. La energía se conserva, pero se va degradando a medida que la entropía del sistema aumenta.





Cómo citar este artículo: "Entropía." Microsoft® Encarta on line 2008. 

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#105 Ge. Pe.

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Publicado el 02 noviembre 2011 - 03:51


:estudiando


Apuntes...

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Fuente: Loewy y Siekevitz





LA VIDA Y LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

Se ha estimado que hace entre dos y cuatro mil millones de años que la vida

comenzó en nuestro planeta. Si ésta principió espontáneamente partiendo de materia

no viviente o si vino a nuestro planeta de sistemas solares distantes, bajo la forma de

esporas a través del universo, no lo sabemos. En cualquiera de los casos, debemos

suponer que la vida empezó primeramente transformando materiales no vivientes en

materia viva. Existen muchas especulaciones en años recientes sobre el mecanismo

implicado en tal conocimiento tan notable.

Hemos dicho que la vida se formó de materia no viviente. Esto presupone que existe

una diferencia entre estos dos estados de materia y es, por lo tanto, lógico

preguntarse cuál es esa diferencia. No es posible dar una definición completa de

materia viviente puesto que esto implica un conocimiento y entendimiento totales de

la misma. No obstante, puesto que por regla general estamos capacitados para

distinguir entre "animal","vegetal" y "mineral", es lógico preguntamos sobre qué

criterio se han basado tales juicios. ¿Existe unicidad de criterios sobre la materia

viviente? Generalmente, contestamos esta pregunta enumerando una serie de

características que asociamos a la materia viviente, tales como movimiento,

reproducción, metabolismo, sensibilidad, crecimiento, etc. Se admite comúnmente

que cada una de estas propiedades se pueden encontrar en el mundo no viviente,

pero se arguye que en la materia viviente se hallan presentes simultáneamente y en

su grado más complejo de expresión. Así, es verdad que se puede reproducir el

trabajo de las locomotoras, el pensamiento de las computadoras y algunas máquinas

automáticas. Hasta ahora no poseemos computadoras que caven zanjas, se

reproduzcan, encuentren placer en la poesía y hagan juicios morales. Pero, si

consideramos que lamateria viviente está sujeta a las leyes de la química y de la

física, entonces debemos aceptar la posibilidad de que tales monstruos puedan, en

principio, ser construidos. ¿Concluiremos entonces que no hay necesidad de que

exista una diferencia esencial entre el hombre y el monstruo? Pensamos que si, pero

con una condición crucial: los orígenes históricos del hombre y del monstruo son

diferentes. El hombre construyó al monstruo y no el monstruo al hombre. Entonces

nosotros presentamos un criterio de materia viviente de carácter histórico. La vida es

un proceso que partió de un nivel poco complicado, el cual se hizo espontáneamente

más complejo durante un proceso que llamamos evolución. Este proceso ha tomado

mucho tiempo y encuentra su expresión actual más compleja en la forma del Homo

sapiens. La organización anteriormente mencionada y siempre en expansión, está

siendo, al presente, más profundizada por el homo sapiens a su mundo físico, de

manera que las diferentes formas de organización, tanto concretas (edificios,

máquinas, etc.) como abstractas (conocimiento, percepción y aun la sabiduría), se

van acumulando a velocidad creciente. Si esta nueva forma de organización

extraorganísmica que llamamos civilización establece evolutivamente, llevando a

descubrimientos nunca soñados en la evolución social del hombre o si está influida

con las contradicciones biológicamente enraizadas incapaces de solución en un nivel

social, solamente el futuro lo dirá.

A pesar de las grandes hazañas recientes en la construcción de complicadísimos

aparatos mecánicos, capaces de efectuar muchas manipulaciones hasta ahora

restringidas a la materia viviente, no debemos menospreciar la intrincada

organización de los sistemas vivientes. La escala casi infinitamente pequeña en la

cual la organización biológica es capaz de ser reducida, es una de las más

asombrosas maravillas de la naturaleza. Uno solamente necesita comparar las

monstruosas computadoras electrónicas accionadas por megawatios de energía con

el infinitamente más sofisticado cerebro humano accionado con sólo microwatios de

energía, para reconocerla notable economía espacial y energética con que trabajan

los sistemas biológicos. El hecho de que el esperma humano sea capaz de llevar en

su diminuto volumen, la mitad de todas las determinantes genéticas de los

individuos maduros, es otro ejemplo del grado de microminiaturización que lleva a

cabo la materia viviente. Nuestros ingenieros deben aprender aún estos trucos fundamentales

de la naturaleza.

Hemos dicho hasta ahora, que las características fundamentales del mundo viviente

son la evolución, la conservación y la extensión de un grado tremendo de

organización, capaces de ser colocados dentro de pequeñísimos volúmenes. ¿Es este

proceso de organización, conservación y extensión una propiedad única de la

materia viviente? La Segunda Ley de la Termodinámica, que es una ley fundamental

del universo físico, establece que los sistemas aislados, espontáneamente tienden

hacia estados de mayor desorganización. A primera vista aparece como si la

Segunda Ley no fuera obedecida por la materia viviente y, en verdad, esto fue lo que

sospechó G. N. Lewis, uno de los creadores de la termodinámica. Sin embargo, a fin

de examinar este problema más cuidadosamente, debemos hacer un enunciado más

preciso de la SegundaLey de la Termodinámica. El grado de desorganización, o

entropía, de un sistema, no es la única propiedad implicada en un proceso

espontáneo. La "energía libre" es un parámetro importante y se puede definir como

la "energía capaz de realizar trabajo". Un proceso solamente puede continuar

espontáneamente cuando hay una pérdida de energía libre. En un sistema aislado, a

temperatura constante, el cambio en la energía libre y el cambio en entropía están en

relación, el uno con el otro, por medio de la siguiente ecuación:



DF = DH - TDS



en donde



DF es el cambio en energía libre

DH es el cambio en el contenido de calor o entalpía

T es la temperatura absoluta

DS es el cambio en la entropía



Aunque la Segunda Leyde la Termodinámica empezó como una generalización

empírica, ha sido posible desde entonces, explicarla, aplicando métodos estadísticos

de análisis a las partículas de que se compone la materia.

Aunque la Segunda Ley predice que un sistema cuando se abandona a si mismo,

tenderá a decrecer su estado de organización, permite, sin embargo, un aumento de

ella cuando se le proporciona energía libre al sistema. Y esto parece que es lo que

ocurre en el caso de la materia viviente. El elevado contenido de energía libre y el

bajo estado de desorganización de la materia viviente se conservan, y algunas veces

se aumentan más, por medio de un constante abastecimiento de energía libre. Tan

pronto como ese abastecimiento se suspende, los sistemas vivientes prosiguen

espontáneamente hacia un estado de mayor desorganización (la muerte). Este tipo de

sistema lábil que se conserva a cierto nivel de organización por medio de un

continuo abastecimiento de energía libre, se describe frecuentemente como estado

estacionario. No representa un equilibrio en el cual el sistema ha ganado la más baja

energía libre posible y la más elevada desorganización posible. De hecho, un estado

estacionario es un sistema fuera de equilibrio que solamente se puede conservar en

su aparente estabilidad por medio de un suministro continuo de energía libre. Un

modelo físico de tal género, sería un baño de agua, regulada térmicamente,

conservada a una temperatura constante, diferente a la de sus alrededores. Aquí, otra

vez el modelo físico sería diferente al equivalente viviente (esto es, en lo que se

refiere a la regulación de la temperatura de los mamíferos) primordialmente por su

origen histórico. Después de todo, nosotros somos los que construimos el baño de

temperatura constante.

El suministro constante de energía libre es sólo uno de los requisitos para la

conservación de un estado estacionario. Debe existir, asimismo, una organización

mínima capaz de absorber y canalizar la energía para su mejor aprovechamiento.

Como biólogos, nosotros creemos que en el caso de la historia de los seres vivientes,

esta organización ha aparecido bajo la forma de hechos fortuitos, ligados unos a

otros, en una progresión de constante aumento de complejidad, por medio del

fenómeno de la selección natural. Nosotros creemos que este fenómeno de

evolución repentina no viola la Segunda Ley de la Termodinámica, puesto que

estuvo "reforzado" por un abastecimiento continuo y generoso de energía libre

que tuvo su origen en las reacciones atómicas del sol. Con la aparición de la

inteligencia humana, la evolución de diversos tipos de organización ya sea ésta una

biblioteca, una teoría científica, o una computadora no se puede considerar por más

tiempo como hecha al azar, como se cree que se verifican las mutaciones genéticas,

aunque en éstas también son válidos los principios generales; a saber, que la energía

libre es necesaria para permitir la elaboración de estos productos de la imaginación

humana.

Hace cinco mil millones de años, antes de que apareciera la vida en nuestro planeta,

toda la energía libre vertida sobre él, procedente del Sol, era rápidamente disipada

como calor inútil y radiada al espacio exterior. Entonces se formaron diminutos

sistemas, capaces de atrapar algo de esta energía libre, la cual fue utilizada para

conservar y aumentarla organización de estos sistemas. A medida que progresó la

evolución, este proceso se hizo más eficiente y de mayor extensión. En la actualidad,

los rayos recogidos del Sol constituyen la fuente de abastecimiento de energía libre

que sirve para construir ciudades o para volver la materia viviente en si misma, en la

investigación de los principios por los cuales es gobernada. El estado estacionario de

la vida ha adquirido algo de la energía libre del Sol y la está reteniendo bajo la

forma de "biosfera" siempre creciente.

Existe una Tercera Ley de la Termodinámica que establece que, en el cero absoluto,

la entropía de toda sustancia es cero. Quizá pudiéramos enunciar una "cuarta ley"

que estableciera que, dando el tiempo suficiente, los bloques atómicos de construcción

necesarios, la temperatura adecuada y un constante abastecimiento de

energía libre posiblemente fluctuando en un ciclo diurno, se desarrollaría, por

necesidad, un "bios" de creciente complejidad, que tendería el efecto total de

disminuir la velocidad en la cual la energía libre comienza a degradarse. Los puntos

de vista comúnmente sostenidos por los astrónomos de que los soles del universo

están, probablemente, acompañados por planetas, de los cuales un número finito

serían semejantes al planeta Tierra, nos llevan a la convicción de que no estamos

solos en el Universo. Ya no pensaremos más en la evolución como "una gran

coincidencia" de la naturaleza sino como una ley, en todo el sentido de la palabra.

Concluyamos, la materia viviente no está fuera del mundo físico sino que es una

parte integrante de él. Es un caso especial fascinante de la materia física que se

distingue por la larga y característica historia de su desarrollo.



Bibliografía



BLUM, H. F., 1955.Time's arrow and evolution. Princeton, N.J.: Princeton

University Press.

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Academic Press.

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