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TERMODINÁMICA CLASE 9 PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMCA APLICADO A SISTEMAS CERRADOS Elaboró: Profesor Efrén Giraldo T. MSc . Revisó: Profesor Carlos A. Acevedo Ph.D Presentación hecha exclusivamente con el fin de facilitar el estudio
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TERMODINÁMICA CLASE 9
PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMCA
APLICADO A SISTEMAS CERRADOS
Elaboró:
Profesor Efrén Giraldo T. MSc.
Revisó:
Profesor Carlos A. Acevedo Ph.D
Presentación hecha exclusivamente con
el fin de facilitar el estudio
Contenido
Repaso de algunos conceptos
Energía en tránsito
Primera ley de la termodinámica
Análisis de la primera ley en Sistemas Cerrados
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Energía en tránsito
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La energía en tránsito que puede entrar a cualquier
sistema o salir de él es de tres clases:
Calor Q
Trabajo W
Energía debida al flujo de masa.
Por tanto la energía en tránsito(Q, W, Eṁ) es la que hace
variar la energía almacenada de un sistema.
La energía en tránsito aporta energía al entrar al sistema.
Y le resta energía al salir del sistema.
Si el sistema es cerrado:
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Primera ley de la termodinámica:
La conservación de la energía
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Conservación de la energía
El principio de conservación de la energía es uno de los
principios fundamentales de todas las disciplinas científicas.
En las diferentes áreas de la ciencia, hay ecuaciones
primarias que son una apropiada formulación del principio
de conservación de la energía.
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“La energía total de un sistema aislado
permanece constante”
“La energía total ni se crea ni se destruye,
sólo se transforma”
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Si un sistema gana o pierde cierta cantidad de
energía, sus alrededores deben perder o ganar la
misma cantidad de energía.
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Si un sistema sufre un incremento de su energía es
porque sus alrededores perdieron ese mismo incremento.
Si el sistema sufre un decremento de energía es porque
sus alrededores ganaron ese decremento.
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El cambio de E del sistema, no es gratuito. Es
a expensas de los alrededores.
Si el sistema gana energía es porque los
alrededores la pierden.
Si pierde, los alrededores ganaron energía.
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Lo que gana el sistema es igual a lo pierden los alrededores:
∆𝑬𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒎𝒂 = ∆𝑬𝒂𝒍𝒓𝒓𝒆𝒅𝒆𝒅𝒐𝒓𝒆𝒔
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Si se relaciona la energía que entra con la que sale en un sistema:
𝐸𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 − 𝐸𝑠𝑎𝑙𝑒
Es obvio que esta diferencia es la que altera la energía almacenada
del sistema.
Lo que equivale a decir que el cambio en
energía almacenada es igual a la energía que
entra menos la que sale.
Si esta diferencia es +, la energía almacenada
aumenta. Si es -, disminuye.
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Esto lo expresa exactamente la primera ley.
La primera ley relaciona la energía en tránsito,
con la energía almacenada del sistema.
Cambio de Energía en tránsito
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El cambio de la energía en tránsito es igual al
cambio de energía almacenada:
No hay un sistema o cuerpo del que se pueda extraer
más energía de la que tiene, o de la que se invierte, y
ni siquiera la que se invierte, porque como se verá más
adelante, parte se convierte en calor que no se puede
aprovechar.
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Primera ley para un sistema cerrado fijo
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En general un sistema tiene como energía
almacenada estas clases de energía:
𝐸𝑎𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑎𝑛𝑑𝑎 = 𝐸𝑐 +𝐸𝑝 + 𝑈 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎
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El cambio de energía almacenada ∆𝐸𝑎𝑙𝑚 será:
∆𝐸𝑎𝑙𝑚=∆ 𝐸𝑐 + ∆𝐸𝑝 + ∆𝑈
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En el sistema cerrado no hay transferencia de masa.
Si lo hay de energía. Por tanto no hay flujo másico y
Eṁ no existe.
Partiendo de las ecuaciones para un sistema cerrado
fijo y del primer principio y combinando:
Figura 1. Sistema cerrado termodinámico.http://www.tideca.net/content/caso-real-01
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W
Q
Q
W
Figura 2. La energía en tránsito que entra o sale de un sistema cerrado.
La energía almacenada es la
energía que un cuerpo tiene.
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Si el sistema es cerrado fijo no se mueve y además, si el
sistema de referencia gravitacional es cero (a nivel de tierra):
∆𝐸𝑎𝑙𝑚=∆ 𝐸𝑐 + ∆𝐸𝑝 + ∆𝑈
∆𝐸𝑎𝑙𝑚= ∆𝑈
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Pero como
𝐸𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 − 𝐸𝑠𝑎𝑙𝑒 = 𝐸𝑎𝑙𝑚
Reemplazando la ecuación anterior
𝐸𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 − 𝐸𝑠𝑎𝑙𝑒 = ∆𝑈
A un sistema cerrado solo entra o sale Q o W
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Si al sistema le entra Q y sale W (realiza W)
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La última ecuación significa que:
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Si se suministra calor a un sistema cerrado fijo parte
aumenta la energía interna y parte realiza un trabajo.
Por tanto no todo el calor se emplea en hacer trabajo.
Además en los sistemas prácticos reales parte del calor se
transfiere a los alrededores.
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Se puede observar que el primer principio lleva
implícito (no muy visible), que hay una parte
apreciable de calor que no se puede emplear en hacer
trabajo útil.
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Y aunque la energía no se pierde, se transfiere a
los alrededores y se desaprovecha para que el
sistema pueda realizar trabajo.
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Si le entra Q calor y W trabajo
𝑄 +𝑊 = ∆𝑈
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Se tiene un sistema cerrado con una energía
interna de 800 kJ al cual le entran 100 kJ de
trabajo y le salen 500 kJ de calor hacia los
alrededores. Cuál es cambio en U?
Figura 3. Sistema cerrado intercambiando Q y W
𝑊𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 = 100 𝑘𝐽𝑄𝑠𝑎𝑙𝑒 = 500 𝑘𝐽𝑈𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 800 𝑘𝐽
∆𝑈 = (𝑈𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 _ 𝑈𝑖𝑛𝑖𝑐𝑎𝑙)De ecuación (11)
𝑄 +𝑊 = 𝑈𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 _ 𝑈𝑖𝑛𝑖𝑐𝑎𝑙 13
100 𝑘𝐽 − 500 𝑘𝐽 = 𝑈𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 _800 kJ
𝑈𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 400 kJ
∆𝑈=400 𝑘𝐽 − 800 𝑘𝐽 = −400 𝑘𝐽
Perdió energía interna 29
𝑈𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙= ? , ∆𝑈 =?
Figura 4. Flujo neto de calor y trabajo en un sistema
cerrado fijo.
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(13)
(14)
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El calor neto más el trabajo neto que recibe un
sistema cerrado es igual al cambio de energía
interna del sistema.
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Los signos asignados al calor Q y al trabajo W son
indicativos solo de lo que entra y sale.
No hay calor ni trabajo negativo o positivo. Es una
conveniencia para hacer los balances de energía.
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El calor y el trabajo que entran a un sistema
aumentan su energía interna.
El calor y el trabajo que salen de un sistema
disminuyen la energía interna.
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(18)
(17) (18)
(17)
Las ecuaciones anteriores relacionan la energía
microscópica U con la energía en tránsito en
sus formas de calor Q y trabajo W.
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La primera ley aplicada a sistemas cerrados
hace uso de los conceptos de: energía
interna, calor recibido o cedido, y trabajo
realizado o recibido por un sistema.
A continuación varias formas de ver la 1era ley:
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(19)
(20)
Es importante destacar que el trabajo es una
energía de alta calidad o energía ordenada, pues
todo el trabajo se puede transformar totalmente
en otras forma de energía
El calor es una forma de energía desordenada de
baja calidad.
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El primer principio lleva implícito (no muy visible)
una degradación de la energía.
El cambio de energía interna en los procesos
prácticos implica un trabajo (E de alta calidad) y
calor (E de baja calidad).
Como el calor no se puede transformar todo en
trabajo, siempre se perderá alguna parte hacia los
alrededores, sin poderse aprovechar e los procesos.
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Sistema: agua calentándose hasta 100 °C
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 = 2000 kJ𝑄𝑠𝑎𝑙𝑒 = 500 kJ
𝑄𝑛𝑒𝑡𝑜 + 𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 = ∆𝑈
𝑄𝑛𝑒𝑡𝑜 = 2000 𝑘𝐽 − 500 𝑘𝐽 = 1500 𝑘𝐽 = ∆𝑈16/03/2017 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 43
http://curiosidades.batanga.com/4383/la-primera-ley-de-la-termodinamica
2000 kJ
500 kJ
Se considera que
no hay trabajo
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 = 2000 kJ𝑄𝑠𝑎𝑙𝑒 = 500 kJ𝑊𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 = 200 kJ
𝑤𝑒𝑠𝑝𝑎𝑛𝑠𝑖ó𝑛 = 500 kJ
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http://www.100ciaquimica.net/temas/tema5/punto2c.htm
2000 kJ
500 kJ
200 kJ
500 kJ
𝑄𝑛𝑒𝑡𝑜 + 𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 = ∆𝑈
(2000 𝑘𝐽 − 500 𝑘𝐽) + (200 𝑘𝐽 − 500 𝑘𝐽) = ∆𝑈
1500 𝑘𝐽 − 300 𝑘𝐽 = ∆𝑈
1200 𝑘𝐽 = ∆𝑈
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Bibliografía
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LINC INTERESANTELINC INTERESANTE
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16/03/2017 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 47
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http://es.scribd.com/doc/6941561/100-
experimentos-sencillos-de-fisica-y-quimica
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En el nivel macroscópico, diríamos que el
café y la taza están transfiriendo calor a los
alrededores. Esta transferencia de calor se
produce desde el café caliente y una taza
caliente al aire circundante. El hecho de que el
café reduce su temperatura es una señal de
que la energía cinética media de sus partículas
está disminuyendo. El café está perdiendo
energía. La taza también está bajando su
temperatura; la energía cinética media de sus
partículas también está disminuyendo. La taza
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![PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ · MOTOR DE CICLO OTTO REAL ... η :Eficiencia del ciclo [kJ/kg] ... :Exergía a la temperatura de barrido [kJ/kg]](https://static.fdocuments.ec/doc/165x107/5bb8175209d3f21e6a8bfc77/pontificia-universidad-catolica-del-peru-motor-de-ciclo-otto-real-eficiencia.jpg)
![Jhv{kj d`.kk;u · 2018. 3. 22. · Jhv{kj d`".kk;u 8 m‰kouk u ekywe dc ls eu esa ;g bPNk Fkh fd Hkxoku~ Jhd`".k dh yhykvksa ds lEcU/ esa ,d y?kq dkO; fy[kw¡A ^Jh v{kj jkek;.k*]](https://static.fdocuments.ec/doc/165x107/60c56ad879d1764dab6b66df/jhvkj-dkku-2018-3-22-jhvkj-dkku-8-makouk-u-ekywe-dc-ls-eu-esa.jpg)
