Termodinámica: primer y segundo principio

Este cuestionario de Física de 2º de Bachillerato desarrolla la termodinámica clásica, bloque que conecta con el trabajo y la energía mecánica estudiados anteriormente y con la termoquímica del bloque de Química, contenido habitual de la PAU (Selectividad).

Se parte del primer principio, ΔU=Q+W, aplicado a los cuatro procesos termodinámicos fundamentales: isocórico (volumen constante, W=0), isobárico (presión constante, W=-PΔV), isotérmico (temperatura constante, ΔU=0 para un gas ideal, por lo que Q=-W) y adiabático (sin intercambio de calor, Q=0, rige la relación PV^γ=constante). Se trabaja la relación de Mayer para gases ideales, Cp=Cv+R, y el coeficiente adiabático γ=Cp/Cv.

Un punto conceptual clave, trabajado explícitamente en el cuestionario tras una revisión que amplió la respuesta correcta, es el carácter extensivo de la energía interna: además de ser una función de estado (su variación en un ciclo cerrado es siempre cero, independiente del camino recorrido) y de depender únicamente de la temperatura en un gas ideal, la energía interna es también una propiedad extensiva, es decir, su valor total depende de la cantidad de materia del sistema —a diferencia de magnitudes intensivas como la temperatura o la presión—.

Se introduce el rendimiento de las máquinas térmicas, η=W/Qc, resolviendo un problema numérico con una máquina de Carnot operando entre 300 K y 600 K, cuyo rendimiento máximo (0,5) se calcula mediante η=1-Tf/Tc. Se establece que el ciclo de Carnot representa el límite teórico superior de eficiencia, alcanzable solo en procesos reversibles sin pérdidas por fricción ni transferencias de calor con gradiente finito.

El segundo principio de la termodinámica se presenta en su formulación de Clausius: es imposible que el calor fluya espontáneamente de un cuerpo frío a uno caliente sin aporte externo de trabajo. Se conecta con el concepto de entropía, que en cualquier proceso real dentro de un sistema aislado aumenta siempre, formalizando la dirección irreversible de los procesos naturales.

Las 12 preguntas combinan problemas numéricos (rendimiento de Carnot) con preguntas conceptuales de verdadero/falso múltiple sobre los cuatro procesos termodinámicos, funciones de estado, y los dos principios de la termodinámica. Las 12 flashcards recogen todas las fórmulas y definiciones del bloque para el repaso final.

• Aplicar el primer principio de la termodinámica a los procesos isobárico, isocórico, isotérmico y adiabático
• Calcular el rendimiento máximo de una máquina térmica de Carnot a partir de las temperaturas de los focos frío y caliente
• Explicar por qué la energía interna es una función de estado extensiva que, en un gas ideal, depende solo de la temperatura
• Enunciar el segundo principio de la termodinámica según Clausius y relacionarlo con el aumento de entropía en procesos reales
• Aplicar la relación de Mayer (Cp=Cv+R) y el coeficiente adiabático en problemas de gases ideales

"Si una máquina de Carnot opera entre 300 K y 600 K, su rendimiento máximo es η=1-(Tf/Tc)=1-(300/600)=0,5. La energía interna es una función de estado, extensiva, y para un gas ideal depende solo de la temperatura. En un ciclo termodinámico completo, la variación de energía interna es siempre cero."