CAPITULO 3 RELACIONES DE ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR OBJETIVOS: Introducir el concepto básico de...

CAPITULO 3

RELACIONES DE ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR

OBJETIVOS:• Introducir el concepto básico de Energía y trabajo.• Introducir los conceptos básicos de transferencia de

calor incluyendo conducción, convección y radiación.• Presentar ejemplos y problemas de práctica que

ilustran los conceptos estudiados.

Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

3.1 INTRODUCCIÓNEn la Física se analizan formas de energía como la potencial gravitatoria y la cinética, así como otras formas de energía asociadas a los campos eléctricos y magnético. El estudio de la energía asociada a las fuerzas de enlace atómicas y nucleares tiene una gran importancia para el químico.

El estudio de los principios de la termodinámica permite relacionar los cambios de estas y otras formas de energía dentro de un sistema con las interacciones energéticas en las fronteras de un sistema.


3.2. NATURALEZA DE LA ENERGÍA • Al mirar a nuestro alrededor se observa que las plantas

crecen, los animales se trasladan y que las máquinas y herramientas realizan las más variadas tareas. Todas estas actividades tienen en común que precisan del concurso de la energía.

• La energía es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza.

• La energía se manifiesta en los cambios físicos, por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo.

• La energía está presente también en los cambios químicos, como al quemar un trozo de madera o en la descomposición de agua mediante la corriente eléctrica.


3.2. NATURALEZA DE LA ENERGÍA

La energía puede existir en varias formas: térmica, mecánica, cinética, potencial, eléctrica, química y nuclear, cuya suma conforma la energía total E de un sistema.

FORMAS DE ENERGÍA Todos los tipos de energía E pueden clasificarse o

como energía cinética (Ec) debido al movimiento de un cuerpo, o bien como energía potencial (Ep) debida a la posición de un cuerpo relativa a un campo de fuerzas de otros cuerpos.


Además los tipos de energía pueden clasificarse o en extrínsecos (ext) o en intrínsecos (int).

De la física clásica puede demostrarse que la energía cinética total de un sistema de partículas puede expresarse como suma de tres términos.

microEcmacro

extrotEc

exttrasEctotalEc EEEE int

,,,

intintEp

extEpEc

extEctotal EEEEE


La energía potencial total de un sistema puede expresarse como suma de cuatro cantidades separadas.

Las energías electrostáticas, magnetostática y macroscópica rotacional, no se consideran en este capítulo. Despreciando estos términos la ecuación es:

microEpEcmacro

extgravEp

exttrasEc EEEEE intint

,,

microEpmacro

extmagEp

extelecEp

extgravEptotalEp EEEEE int

,,,,


Los dos últimos términos anteriores no se pueden medir directamente.

La suma de estas dos contribuciones microscópicas a la energía se define como energía interna U de la sustancia del sistema.

La función de energía interna, como se ha definido por la ecuación anterior, es una propiedad extensiva, intrínseca de una sustancia en estado de equilibrio. En ausencia de cambios de fase, reacciones químicas y reacciones nucleares, la energía interna U se denomina a veces energía sensible del sistema.

microEpEc EEU intint


Tomando como base el estudio anterior la ecuación de la energía total de un sistema se convierte en:


3.3 MEDICIÓN DE LA ENERGÍA

No se acostumbra medir la energía de un cuerpo o sistema, pero sí la variación de energía que se experimenta en un cuerpo o sistema, ya que es más fácil determinar estas variaciones de energía que pueden experimentar cuerpos o sistemas y se los hace dicha medida con referencias arbitrarias.


3.3 MEDICIÓN DE LA ENERGÍADe acuerdo a la ley de la relatividad de Albert Einstein,

la masa puede convertirse en energía y la energía en masa de acuerdo a la famosa ecuación:

E = m c2

Donde: c; es la velocidad de la luzc = 3x108 m/s

Basándose en la teoría general de la relatividad, Einstein pudo entender las variaciones hasta entonces inexplicables en el movimiento de rotación de los planetas, y logró predecir la inclinación o desviación que sufre la luz de las estrellas al aproximarse a cuerpos como el Sol.


3.3 MEDICIÓN DE LA ENERGÍA

La unidad de energía que se usó en el pasado y que actualmente

se usa en forma de calor es Caloría o kilocaloría y para la

energía en forma de trabajo se usaba el kilopondio-metro

[kp.m] en el sistema técnico. En el sistema internacional de

unidades como unidad de energía se utiliza el Julio, kilojulio,

para todas las formas de energía y en casos especiales en kWh

(unidad derivada de la energía)


El BTU es una unidad de energía en forma de calor en el sistema Ingles y se define la cantidad de calor que se suministra a una libra de agua para elevar su temperatura 1º F.

1 BTU = 0,252 Kcal1 Kcal = 4,186 KJ1 kWh = 3600 kJ

3.3.1. ENERGÍA POTENCIAL GRAVITACIONALEs el trabajo que se efectúa en el campo gravitacional

en dirección de la fuerza de atracción gravitacional, con referencia a niveles arbitrarios.


3.3.1.ENERGÍA POTENCIAL GRAVITACIONAL

Ejemplo si se eleva un objeto cuyo peso es de 98 N, hasta una altura de 10 metros, la capacidad de trabajo posible será de 980 Julios.

2

1

2

1dzmgdEp

zmgEp


3.3.2. ENERGÍA CINÉTICA

Un cuerpo de masa “m” tiene energía cinética cuando está sometida a una fuerza que la desplaza con una cierta velocidad, por lo tanto podemos decir que esta energía cinética de dicho cuerpo es el trabajo para que adquiera cierta velocidad.

2

1

2

1dvvmdEc

][2

2

kJvm

Ec


3.4 ENERGIA INTERNA. [U];(u)La energía interna de un cuerpo o sistema (fluido de trabajo) se debe a su actividad interna atómica o molecular, es decir, la energía interna de un cuerpo variará si dicho cuerpo se le comunica o extrae por ejemplo calor y trabajo, debido a esto puede producirse un acercamiento o alejamiento entre átomos o moléculas, lo que se traduciría en una energía potencial interna. También puede producirse al comunicar o extraer energía movimiento en los átomos o moléculas, movimiento de traslación, rotación, o vibratorio traduciéndose en este caso en energía cinética interna.


3.4 ENERGIA INTERNA. [U];(u)

Ejemplos de aplicación:a) Si añadimos calor a un cuerpo en estado sólido o

líquido, el aumento de volumen es generalmente imperceptible, en particular tratándose de cantidades razonables pequeñas, y por tanto el trabajo producido puede considerarse nulo. Nada queda tampoco en forma de energía potencial, por tanto toda la energía térmica se transforma en un aumento de la energía cinética de las moléculas.


3.4 ENERGIA INTERNA. [U];(u)

b) Cuando un sólido pasa a fase líquida, podemos decir también que generalmente las variaciones de volumen son despreciables y además no se aprecia variación de temperatura que pueda indicarnos un aumento de la energía cinética de las moléculas. Tendremos aquí por tanto un incremento de energía potencial.


EjemploUn recipiente rígido contiene un fluido caliente

mientras se agita por una rueda de paletas. Al

inicio la energía interna del fluido es de 800 kJ de

calor, pero durante el proceso de enfriamiento

pierde 500 kJ, por su parte la rueda produce 100

kJ de trabajo sobre el fluido. Determine la

energía interna final del fluido e ignore la energía

almacenada en la rueda de paletas.


SoluciónConsidere el contenido del

recipiente como el sistema cerrado puesto que ninguna masa cruza sus fronteras durante el proceso.

Aplicando el balance de energía sobre el sistema se obtiene: sistemasalidaentrada EEE

12 UUUQW salidaentrada

kJU

kJUkJkJ

400

800500100

2

2


3.5 TRABAJO

Se efectúa trabajo sobre un cuerpo cuando se lo desplaza una cierta distancia por efecto de una fuerza. También efectúa trabajo el cuerpo cuando al desplazarse origina un empuje sobre otro sistema móvil desplazándola (trabajo de un sistema con frontera móvil)


3.5 TRABAJO

En las máquinas alternativas se conocen tres clases de trabajo; Trabajo ideal, trabajo indicado y trabajo al freno (llamado también efectivo, útil, en el eje).

El trabajo ideal es el que efectúa el fluido operante o sistema en el interior del cilindro sin tomar en cuenta las pérdidas y puede calcularse.

El trabajo indicado es el trabajo que efectúa el fluido de trabajo en el interior del sistema tomando en cuenta las pérdidas.


3.5 TRABAJO

El trabajo para el freno o trabajo efectivo, útil o en el eje es el trabajo medido precisamente en el eje de salida del motor.

W = Trabajo ideal (calculable)Wi = Trabajo indicado (medible)

WB = Trabajo al freno (medido a la salida del motor)


3.5.1 TRABAJO DE EXPANSIÓN Y COMPRESIÓN


3.6 Trabajo de un sistema con frontera móvil

• Si consideramos un gas como fluido operante, de modo que este se encuentra inicialmente comprimido, luego al expandirse efectúe trabajo de acuerdo a la figura anterior.

• Cuando se efectúa trabajo al desplazarse el pistón también se va desplazando la frontera del fluido operante o sistema desde el estado 1 hasta el estado 2, pudiendo graficarse esta variación de estado que experimenta el fluido operante.


3.7 PotenciaLa velocidad a la que se realiza trabajo sobre o por el sistema se

define como la Potencia. En función de la potencia, el trabajo diferencial puede escribirse como.

La potencia mecánica suministrada a un sistema por una fuerza exterior se define como el producto escalar del vector fuerza exterior por el vector velocidad.

En cálculos de ingeniería con frecuencia se utiliza como unidad básica el vatio o también el kilovatio (kW)

δ; símbolo para un incremento infinitesimal de una función

dtWW

)(cosVFVFW extextmec


3.8 CalorANTECEDENTES HISTÓRICOSEl calor siempre se percibió como algo que produce

una sensación de calidez, por que se podría pensar que su naturaleza fue una de las primeras cosas que la humanidad entendió.

A mediados del siglo XIX se llegó a una verdadera comprensión física sobre la naturaleza del calor, gracias al desarrollo en ese tiempo de la teoría cinética la cual considera a las moléculas como diminutas esferas que se encuentran en movimiento y que por lo tanto poseen energía cinética.


3.8 Calor

Los experimentos del Ingles James P. Joule (1818-1889) publicados en 1843 son los que finalmente convencieron a los escépticos de que el calor no era una sustancia, así que se desechó la teoría del calórico, esta teoría contribuyó en gran medida al desarrollo de la termodinámica y la transferencia de calor.


3.8 CalorEl calor se puede transferir de tres formas distintas: conducción,

convección y radiación.

3.8.1 Transferencia de calor por conducción

La conducción es la transferencia de energía de las partículas más

energéticas de una sustancia hacia las adyacentes menos

energéticas como resultado de sus interacciones. La conducción

puede ocurrir en sólidos, líquidos o gases; en estos dos últimos la

conducción se debe a las colisiones de las moléculas durante su

movimiento aleatorio mientras que en los sólidos se debe a la

combinación de la vibración de las moléculas en una red y el

transporte de energía mediante electrones libres.


La ecuación por conducción del calor es:

Que se conoce como ley de Fourier de conducción de calor. El calor es conducido en la dirección de la temperatura decreciente, y el gradiente de temperatura se vuelve negativo cuando la temperatura disminuye con x creciente.

][Wdx

dTAkQ


3.8.2 Transferencia de calor por convección

La convección es el modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y líquido o gas adyacente que está en movimiento, y tiene que ver con los efectos combinados de conducción y movimiento del fluido: mientras más rápido sea éste mayor es la transferencia de calor por convección.

W][)( ambsconv TTAhQ


Enfriamiento de un huevo hervido por convección forzada


3.8.3 Transferencia de calor por radiación

Radiación es la energía que emite la materia en la forma de ondas electromagnéticas (o fotones) como resultados de cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas. A diferencia de la conducción y la convección, la transferencia de energía por radiación no requiere la presencia de un medio. De hecho, este tipo de transferencia es la más rápida, las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz (c=3x108 m/s) y no experimenta ninguna atenuación en un vacío.


3.8.3 Transferencia de calor por radiaciónLas energías radiantes

podemos mencionar:- Los rayos cósmicos- Rayos x- Rayos gama- Rayos ultravioleta- La luz visible- Rayos infrarrojos- Ondas de radio

W][)( 44recs TTAQ

Boltzmann -Stefan de ]constanteK[W/m 105.67x

superficie la de emisividad;4 28-


3.9 Calor generado por la combustiónLa combustión es la

reacción química violenta de dos cuerpos el comburente (oxígeno) y el combustible que se produce con gran desprendimiento de calor.

Químicamente definimos como una oxidación instantánea del combustible frente al contacto del oxígeno.


3.9 Calor generado por la combustiónLos tres elementos activos mas importantes en los combustibles

habituales son el carbono, el hidrógeno y el azufre. En este capítulo tratamos con las reacciones de combustión expresadas por las ecuaciones químicas de la forma;

Combustible + comburente -----------> productosConsidérese un ejemplo sencillo la combustión completa del

hidrógeno con el oxígeno.

CALOR 1 > CALOR 2 > CALOR 3

1 CALOROHOH 22

2 CALORCOOC 22

3 CALORCOO2

1C 2


3.9.1 Combustible

Es simplemente una sustancia susceptible a ser quemada. En este capítulo se hace énfasis en los hidrocarburos, que contienen carbono hidrógeno. Pueden contener también azufre y otros elementos químicos. Estos combustibles pueden existir en estado sólido, líquido y gaseoso.

Combustión


3.9.2 Aire de combustiónEl oxígeno es necesario en toda reacción de

combustión. El oxígeno puro se utiliza solamente en aplicaciones especiales como el corte y la soldadura. En la mayoría de las aplicaciones de la combustión es el aire el que proporciona el oxígeno necesario. Se considera que el aire está compuesto de un 21 % de oxígeno y un 79 %de nitrógeno en base molar.

Para los cálculos de combustión la masa molecular del aire se toma igual a 28,97 [kg aire/kmol aire].


3.9.2 Aire de combustión

Con esta idealización la relación molar entre nitrógeno y oxígeno es 0,79/0,21=3,76

Por tanto cuando el aire suministra el oxigeno en una reacción de combustión, cada mol de oxígeno va acompañado de 3.76 moles de nitrógeno. El aire considerado aquí no tiene vapor de agua.

Cuando el aire presente en la combustión es húmedo, el vapor de agua presente hay que considerarlo al escribir la ecuación de combustión.



El nitrógeno como uno de los productos de la reacción se encuentra a la misma temperatura que los otros productos. Si alcanza una temperatura suficientemente alta, el nitrógeno puede formar compuestos como el óxido nítrico y el dióxido de nitrógeno. Incluso simples trazas de óxidos de nitrógeno presentes en los gases emitidos por los motores de combustión interna, son una fuente de contaminación del aire.


Motor de combustión interna



Dos parámetros frecuentemente utilizados para cuantificar las cantidades de combustible y de aire en un proceso particular de combustión son la relación de aire-combustible y su inversa la relación combustible-aire.

ecombustibldekg

airedekg

ecombustibldemasa

airedemasar combaire /


Aplicación de la combustión


3.9.3 Poder calorífico de los combustibles

El poder calorífico de un combustible es un número positivo igual a la magnitud de la entalpía de combustión, es decir, la cantidad de calor desarrollada en la combustión completa de 1 kg de combustible, se denomina también potencia calorífica. Las unidades empleadas son: cal/gr; Kcal/kg; kJ/kg


Si un combustible no tiene hidrógeno tiene un solo valor de poder calorífico, pero si tiene hidrógeno

tendrá un rango de valores.• Poder calorífico inferior de un combustible• Poder calorífico superior de un combustibleEl poder calorífico superior se puede obtener por la

siguiente relación:

Donde:QL= calor latente de vaporizaciónQS = calor sensibleX= título del vapor de agua

SL QxQHuiHus 1


3.9.3 Poder calorífico de los combustiblesCombustible Hus

(MJ/kg)Hui (MJ/kg) (m3/kg) R a/c r

Gasolina 47.5 44 710 15 0.71

Kerosene 46 42.5 748 15.5 0.748

Diesel 46.7 42.5 820 16 0.82

Fuel-Oil 45 41.7 814 15.5 0.814

Alcohol Etil. 28 25.32 794 9 0.794

Alcohol Metil 21.42 18.92 796 6.5 0.796


Combustiblegaseoso

Hus (MJ/kg)

Hui (MJ/kg) (m3/kg) R a/c r

Gas Natural 37-39 -------------- 0.786 10.7 0.71

Otro Combustible

Gas Licuado 49.5 45.9 530- 570 15.5 -------

Para 1.013 bar (1 Atm), 15.6 ºC

3.10 Eficiencia en la conversión de energía

Eficiencia indica que tan bien se realiza un proceso de conversión o transferencia de energía. Así mismo, este término resulta uno de los que en general son mal usados en termodinámica.

El desempeño o eficiencia se expresa en términos de la salida deseada y la entrada requerida.

requeridaentrada

deseadasalidaDesempeño


Eficiencia de un motor eléctrico y de una bomba

electrica

ejemecMOTOR W

W

ejemec

fluidomecBOMBA W

E


La preocupación por el hombre y su destino siempre debe ser el interés primordial de todo esfuerzo técnico.

Nunca olvides esto entre tus diagramas y ecuaciones.

Albert Einstein


REPASO1. Los calentadores eléctricos portátiles se usan

comunmente para calentar habitaciones pequeñas. Explique la transferencia de energía que tiene lugar durante este proceso.

2. ¿Cuál es la energía total? Identifica las diversas formas de energía que la constituyen.

3. ¿Qué es energía mecánica y cómo difiere de la energía térmica?


REPASO4. Escriba que es Potencia calorífica.

5.- ¿Por qué se considera la combustión de hidrocarburos un aporte al calentamiento global?


RESPUESTA

1. Los calentadores eléctricos portátiles se usan comunmente para calentar habitaciones pequeñas. Explique la transformación de energía que tiene lugar durante este proceso.

R.- La transferencia de calor se realiza mediante convección a través del aire del ambiente


2. ¿Cuál es la energía total? Identifica las diversas formas de energía que la constituyen.

R.- Energía total es: la suma de la energía macroscópica y la energía microscópica, expresada por la fórmula:

3. ¿Qué es energía mecánica y cómo difiere de la energía térmica?

R.- El conjunto de energía cinética traslacional y la energía gravitacional se llama energía mecánica, y es diferente de la térmica porque es influencia directa de la temperatura.


4. Escriba que es Potencia calorífica.

R.- La potencia calirífica de un combustible es un número positivo igual a la magnitud de la entalpía de combustión, es decir, la cantidad de calor desarrollada en la combustión completa de 1 kg de combustible,

5.- ¿Por qué se considera la combustión de hidrocarburos un aporte al calentamiento global?

R.- Los productos de la combustión salen en dióxido de carbono principalmente.


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