Duda sobre el funcionamiento/relación de la presión/temperatura

Moonlight86

Buenas tardes, abro este hilo para hablar sobre este tema, que es algo que siempre me ha resultado curioso y aunque tengo mi idea, me gustaría preguntar sobre el tema a gente que habrá reflexionado mucho más sobre ello y lo conocerá mejor:

Es un tema que viene a relación del funcionamiento que a priori cuesta entender de como se enfrían sustancias al reducir su presión (o al revés, se calientan al aumentar su presión). Aún muchos ejemplos en los que se da (como un propio aerosol), pero yo creo que la forma mas clara de plantearlo es como el típico esquema frigorífico:


Se puede hablar mucho de esto, pero a lo que yo voy es el paso de 3 a 4. Ss decir en el punto 3 tenemos una sustancia con una energía calorífica, una temperatura, y una presión, y en cambio en el punto 4, tenemos la misma sustancia con la misma energía calorífica, pero menos presión y menos temperatura. Básicamente lo único que ha pasado es de estar en un sitio mas estrecho (3), a uno mas amplio (4), y por tanto su presión baja, eso es obvio, pero lo de la temperatura manteniendo la misma energía ya me cuesta un poco más.

Mi idea es que al estar a mas presión, hay menos espacio y por tanto "rebotan" mas las moléculas y por tanto van mas aceleradas (mas temperatura), y al bajar la presión pasa lo contrario, pero me cuesta que cuadre el concepto de la misma sustancia misma energía diferente temperatura, supongo que porque uno tiende a dejar fuera de la ecuación la presión, pero era a ver si podíais arrogar algo de luz a este tema que siempre me ha resultado cuanto menos curioso.

zakzak98

Voy a intentar explicarlo de manera relativamente sencilla, así también yo mismo refresco algunos conceptos de termodinámica que no uso desde la carrera.

Empecemos con definiciones:
Energía = Capacidad del fluido de realizar un trabajo
Temperatura = Energía cinética media de las partículas del fluido
Presión = Tiene varios factores (hidrostática, hidrodinámica, etc) pero esencialmente es la energía potencial por unidad de volumen del fluido

La ecuación de estado de un gas ideal clásico es la siguiente:

pV = nRT

Donde R es una constante y, asumiendo que el caso que expones es un sistema aislado, n (cantidad de sustancia) también. Por tanto queda:

pV = KT

Con esto podemos ver que la presión, volumen y temperatura están estrechamente relacionados (pero eso ya lo sabías). El problema es tener una intuición de este proceso, vamos a verlo:

La temperatura realmente no es una propiedad intrínseca de las partículas, si no que es una propiedad emergente del fluido. Esto quiere decir que la temperatura lo que realmente está midiendo es "cuánto se están moviendo las partículas de este fluido, de media". Esto quiere decir coger un cm3 cualquiera del fluido y sumar las velocidades cinéticas de las partículas, de esta manera obtienes la temperatura.

Ahora, si este fluido está comprimido en un menor volumen, es decir a mayor presión, este cm3 tendrá "más partículas" por cm3, lo que significa que registrarás una temperatura mayor. De igual manera, si este fluido está a un mayor volumen y menor presión, este cm3 tendrá "menos partículas", lo que se traducirá en una lectura menor de la temperatura.

Sin embargo, la energía total del fluido no cambia, ya que no ha habido entrada ni salida de energía sobre las partículas del fluido, simplemente ha cambiado tu forma de "leerlas".

Aviso, he hecho muchísimas sobresimplificaciones y cosas que directamente se podrían considerar erróneas, pero es muy complicado intentar dar una intuición visual de las leyes de la termodinámica sin tomar ciertas licencias. Si alguien cree que puede mejorar esta explicación por favor hacedlo.

6 1 respuesta
Kike_Knoxvil

Edit: tengo la cabeza frita de estudiar, he puesto un sinsentido

Pero si hay algo que sí me suena es que aunque en el proceso completo no hay variación de energía, paso a paso sí que varía

Moonlight86

#2

Ahora, si este fluido está comprimido en un menor volumen, es decir a mayor presión, este cm3 tendrá "más partículas" por cm3, lo que significa que registrarás una temperatura mayor. De igual manera, si este fluido está a un mayor volumen y menor presión, este cm3 tendrá "menos partículas", lo que se traducirá en una lectura menor de la temperatura.

Básicamente esta mi idea que decía de una manera similar, pero una duda, yo pensaba que al estar comprimido en menos espacio iban mas rápido las partículas y tú dices que lo que pasa es que hay más partículas no mas rápidas, esto tendría mucho más sentido y me ayuda a entenderlo más.

Digamos que no entendía del todo porque al aumentar la presión (al juntar mas las partículas), estas iban mas rápido, me rechinaba, pero si entiendo mejor, y me cuadra más, que al estar mas juntas la temperatura es mas alta porque aunque van a la misma velocidad de media al haber más, "golpean mas veces".

Gracias.

R

Si comprimes un fluido le estás aplicando un trabajo y trabajo y energía son cosas equivalentes. Como no va aumentar la energía?

1 respuesta
Kike_Knoxvil

#5 En el circuito general, no hay variación de energía

En el paso de 3 a 4 sí que la hay, se reduce la energía interna y por eso baja la temperatura
En el paso 1 a 2 también, porque tienes la compresión dando presión y temperatura

Esto es lo que más o menos intenté poner en #3 pero tenía la cabeza tan echa mierda que puse una cosa sin sentido

1 respuesta
Moonlight86

#6

En el paso de 3 a 4 sí que la hay, se reduce la energía interna y por eso baja la temperatura

No, precisamente esa es la cuestión que del paso 3 al 4 no hay reducción de la energía, se reduce la presión, se reduce la temperatura, pero la energia se mantiene igual.

2 respuestas
R

#7 para que la energía interna no aumente esa expansión debe hacerla el gas ideal contra el vacío p=0.

Ahí no aumenta la energía ni la temperatura y la presión final se calculará con la T que tenía( que no cambia) y el volumen final V.

Todo esto suponiendo que sea adiabático y reversible que lo asumo porque no se ve en el diagrama que haya Q en esa fase

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Kike_Knoxvil

#7 La energía se reduce al ser un proceso adiabático y necesitar de una fuente para reducir la temperatura
https://www2.montes.upm.es/dptos/digfa/cfisica/termo1p/primerpadiab.html

Vamos, que si no hubiese reducción de energía interna no podrías tener el proceso de expansión porque tampoco tienes una fuente de energía externa para iniciar el proceso

No confundas tampoco que ▲Q = 0 conque no hay variación de energía porque en este caso ▲Q hace referencia al intercambio externo

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Moonlight86

#9 Entonces esa reducción de energía que es, en forma de calor irradiado?

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Kike_Knoxvil

#10 En forma de expansión. No se emite calor, estás en régimen adiabático y utilizando la energía interna para ganar volumen

Del libro de Motoroes de combustión interna de la UPC, que era el que tenía más a mano

Si te sirve para verlo mejor, la ecuación general de estos procesos es la siguiente:

(U2 - U1) + W + Q = 0

Pero Q = 0 por ser adiabático, por lo que te queda la ecuación así:

(U2 - U1) + W = 0 --> W = U1 - U2

W es el trabajo que realiza el gas para expandirse en este caso, y U1 y U2 son las energías internas

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Sulivan1991

El truco esta en el cambio entre estados liquido y gaseoso.

El diagrama parece un circuito de refrigeracion.

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Moonlight86

#12

El truco esta en el cambio entre estados liquido y gaseoso.

No, hablamos de una situación en la que no haya cambio de estado, simplemente algo en estado liquido a mas presión y temperatura que pasa a liquida a menos presión y menos temperatura o un gas a más presión y más temperatura que pasa a gas a menos presión y menos temperatura.

El diagrama parece un circuito de refrigeracion.

Si, lo es, pero lo puse por lo que ocurre del paso 3 al 4, que no hay cambio de estado y en teoria no de energia (o pequeño), pero si de presión y lo mas importante de temperatura.

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