FORMAS DE LA ENERGÍA

FORMAS DE LA ENERGÍAUn refrigerador en funcionamiento con su puerta abierta,

dentro de una habitación perfectamente sellada y aislada. ¿Qué sucederá con la temperatura del cuarto?.

FORMAS DE LA ENERGÍA¿Qué pasa si es un ventilador?

SISTEMAS CERRADOS Y SISTEMAS ABIERTOS

Sistema: Cantidad de materia o una región en el espacio elegida para análisis; delimitada por una frontera real o imaginaria.

Sistema Cerrado (o Masa de Control):consta de una cantidad fija de masa y ninguna otra puede cruzar su frontera. Pero la energía sí puede cruzar su frontera.

Sistema Abierto (o Volumen de Control):consta de una frontera alrededor de un dispositivo que tiene que ver con un flujo de masa (flujo másico). Tanto la masa como la energía pueden cruzar su frontera.

SISTEMAS CERRADOS Y SISTEMAS ABIERTOS

FORMAS DE LA ENERGÍA

La energía puede existir de varias formas:

Térmica

Mecánica

Cinética

Potencial

Eléctrica

Magnética

Química

Nuclear, otras.

La suma de todas las formas de energía constituye la energía total de un sistema.


La Termodinámica no proporciona información acerca del valor absoluto (o real) de la energía total, sino información sobre los cambios en dicha energía.

Utilizamos la letra ‘E’ para abreviar la Energía Total. La unidad de energía es el Joule (J). Recuerde que 1 J = 1 N·m.

Cuando E se encuentra en función de la masa, se denomina con la letra ‘e’, o sea:

e = E/m, en cuyo caso las unidades son J/kg

Ya que no se trabaja con valores absolutos, lo que se hace es asignar el valor E = 0 en algún punto específico.


El trabajo realizado por unidad de tiempo se denomina potencia y se denota con ሶ𝑊.

Las unidades de potencia son kJ/s o kW, es decir, 1 kJ/s equivale a 1 kW.

El consumo de energía eléctrica usualmente se mide en kW· h. Por ejemplo, un foco de 50 W de potencia encendido 5 horas, consumirá 0.050 kW x 5 horas = 0.250 kW· h.


Existe otra forma de clasificar a las formas de la energía, según sus características macroscópicas y microscópicas.

Las formas macroscópicas de energía son las que posee un sistema como un todo en relación de cierto marco de referencia exterior, como por ejemplo la energía cinética y potencial.

Las formas microscópicas de energía son las que se relacionan con la estructura molecular de un sistema, y el grado de actividad molecular, y son independientes de los marcos de referencia externos.


La sumatoria de todas las formas microscópicas deenergía constituyen lo que denominamos EnergíaInterna, y se denota como U.

U es un valor que usualmente está dado en función de lascondiciones del sistema, como presión y temperaturaprincipalmente.

Las formas macroscópicas de energía, en cambio, serelacionan con el movimiento y con la influencia defactores externos (gravedad, magnetismo, electricidad,tensión superficial).

FORMAS DE LA ENERGÍA Energía Cinética: Es la energía que posee un sistema

como resultado de su movimiento. Se denota como‘EC’, y se calcula con la ecuación:

EC=1

2𝑚 ∙ 𝑣2

Donde:

EC: Energía Cinética, en Joules(J).m: masa, en Kilogramos (kg).v: velocidad, en metros por segundo (m/s).

También se puede expresar como función de la masa:

ec =1

2𝑣2

USO DE ECUACIONES

Energía Eólica?

Problema: Un sitio evaluado para construir un parque eólico tiene vientos permanentes a una velocidad de 8 m/s. Determine la energía eólica a) por unidad de masa, b) para una masa de 10 kg, c) para un flujo de 1154 kg/s de aire.

USO DE ECUACIONES

Un sitio evaluado para construir un parque eólico tiene vientos permanentes a una velocidad de 8 m/s. Determine la energía eólica a) por unidad de masa, b) para una masa de 10 kg, c) para un flujo de 1154 kg/s de aire.

a) Energía del viento por unidad de masa

𝑒 =1

2𝑉2 =

1

2𝑥 8

𝑚

𝑠

2

= 32𝑚2

𝑠2= 32

𝑚

𝑠2𝑥𝑘𝑔

𝑘𝑔𝑥 𝑚 = 32

𝑁 ∙ 𝑚

𝑘𝑔= 32

𝐽

𝑘𝑔

b) Energía del viento para una masa de aire de 10 kg

𝐸 = 𝑚 ∙ 𝑒 = 32𝐽

𝑘𝑔x 10 kg = 320 J

c) Energía del viento para un flujo de masa de 1154 kg/s

ሶ𝐸 = ሶ𝑚 ∙ 𝑒 = 1154𝑘𝑔

𝑠x 32

𝐽

𝑘𝑔= 36928

𝐽

𝑠= 36928 𝑊 = 36.9 𝑘𝑊

FORMAS DE LA ENERGÍA Energía Potencial: Es la energía que posee un

sistema como resultado de su incremento de altura en un campo gravitacional. Se denota como ‘EP’, y se calcula con la ecuación:

𝐸𝑃 = 𝑚∙𝑔∙𝑧

EP: Energía Potencial, en Joules (J).

g: aceleración de gravedad, en metros por segundo al cuadrado (m/s2).

z: altura

ENERGÍA TOTAL DE UN SISTEMA

Por lo tanto, la energía total de un sistema viene dada por:

E = 𝑈 + 𝐸𝐶 + 𝐸𝑃 = 𝑈 +1

2𝑚 ∙ 𝑣2 +𝑚 ∙ 𝑔 ∙ 𝑧

A menudo cuando hablamos de flujo utilizamos un punto ( · ) sobre el símbolo al que nos referimos; por ejemplo flujo de masa ( ሶ𝑚), flujo de calor ( ሶ𝑄), flujo de energía ( ሶ𝐸).

ENERGÍA MECÁNICA Energía Mecánica: Forma de energía que se

puede convertir completamente en trabajo mecánico de modo directo mediante un dispositivo mecánico como una turbina ideal.

Recuerde que presión es igual a fuerza sobre área, y que la energía está dada en unidades de fuerza por distancia.

Ecuación Energía Mecánica (Bernoulli):

𝑒𝑚𝑒𝑐á𝑛𝑖𝑐𝑎 =𝑃

𝜌+

1

2𝑣2 + 𝑔 ∙ 𝑧

ENERGÍA MECÁNICA La energía puede cruzar la frontera de un sistema

cerrado en dos formas distintas: calor (Q) y trabajo (W).

Calor: es la transferencia de energía entre dos sistemas debido a la diferencia de temperatura.

Trabajo: es la transferencia de energía relacionada con una fuerza que actúa a lo largo de una distancia, o bien W = F · d

TRANSFERENCIA DE ENERGÍA POR CALOR

El calor se transfiere mediante tres mecanismos: conducción, convección y radiación.

Conducción: transferencia de energía de las partículas más energéticas a las partículas menos energéticas, como resultado de la interacción de partículas.

Convección: transferencia de energía entre superficie sólida y fluido adyacente en movimiento, como resultado de efectos combinados de conducción y movimiento del fluido.

Radiación: transferencia de energía debido a la emisión de ondas electromagnéticas.


Conducción, se determina con la expresión:

Donde:

ሶ𝑸𝑐𝑜𝑛𝑑: Calor transferido por conducción, en vatios (W)

kt: coeficiente de conductividad térmica (W/m·K)

A: Área normal a la dirección de la transferencia de calor (m2)

T: Diferencia de temperatura entre las paredes del material (K)

x: Espesor del material (m).


Conducción (ley de Fourier)


Convección, se determina mediante la expresión:

Donde:

ሶ𝑸𝑐𝑜𝑛v: Calor transferido por convección, en vatios (W).h: coeficiente de transferencia de calor por convección(W/m2 · ºC).A: Área superficial a través de la cual se da la transferencia de calor(m2).Ts: Temperatura superficial (ºC).Tf: Temperatura del fluido que rodea a la superficie (ºC).


Convección (Ley de Enfriamiento de Newton)


Radiación, se determina mediante la expresión:

Donde:

ሶ𝑸rad: Calor transferido por radiación, en vatios (W)

ε: emisividad de la superficie

σ: constante de Stefan-Boltzmann, 5.67 x 10-8 W/m2·K4

A: Área superficial del cuerpo radiante de calor(m2)

Ts: Temperatura superficial (K)

Tsurr: Temperatura de los alrededores o entorno (K).


Radiación (relacionado con Ley de Stefan –Boltzmann)

USO DE ECUACIONESTransferencia de calor desde una persona. Una persona está

de pie con una brisa a 20ºC. Determine la tasa total de transferencia de calor desde esta persona, si el área superficial expuesta y la temperatura de su piel son 1.6m2 y 29ºC, respectivamente, y el coeficiente de transferencia de calor por convección es de 6 W/m2 · ºC. Asuma ε=0.95.

USO DE ECUACIONESTransferencia de calor en una pared. Las superficies interna y

externa de un muro de ladrillo de 5mx6m, con 30cm de espesor y conductividad térmica de 0.69 W/m·ºC, se mantienen a las temperaturas de 20ºC y 5ºC, respectivamente. Calcule la tasa de transferencia de calor a través de la pared, en W.

USO DE ECUACIONESTransferencia de calor en una pared. Las superficies interna y

externa de un muro de ladrillo de 5mx6m, con 30cm de espesor y conductividad térmica de 0.69 W/m·ºC, se mantienen a las temperaturas de 20ºC y 5ºC, respectivamente. Calcule la tasa de transferencia de calor a través de la pared, en W.

ሶ𝑄 = 0.69𝑊

𝑚 ∙ ºC𝑥 30𝑚2𝑥

(20ºC − 5ºC)

0.30 𝑚ሶ𝑄 = 1035 W

TRANSFERENCIA DE ENERGÍA POR TRABAJO

Si la energía que cruza la frontera de un sistema cerrado no es calor, entonces debe ser trabajo.

Trabajo: energía relacionada con una fuerza que actúa a lo largo de una distancia.

El trabajo realizado por unidad de tiempo se llama Potencia. Las unidades de potencia son kJ/s que equivale a kW.

Existen varios tipos de trabajo; uno de los más relevantes es el trabajo eléctrico, de donde se deriva la potencia eléctrica.

TRANSFERENCIA DE ENERGÍA POR TRABAJO

Potencia eléctrica: se determina mediante la siguiente expresión:

ሶ𝑊𝑒=V·I

Donde:

ሶ𝑊𝑒: potencia eléctrica(Watts o Vatios)

V:diferencia de potencial o voltaje(Voltios)

I:corriente eléctrica (Amperios)

FORMAS MECÁNICAS DEL TRABAJO

Hay diversas formas de hacer trabajo, cada una relacionada con una fuerza que actúa a lo largo de una distancia, o bien:

W = F · s

Trabajo de Flecha (o de eje): trabajo de una fuerza aplicada en una dirección rotacional, se determina a partir de la expresión:

𝑊𝑓𝑙𝑒𝑐ℎ𝑎 = 2 ∙ 𝜋 ∙ 𝑛 ∙ 𝑇

En términos de potencia se expresa como:

ሶ𝑊𝑓𝑙𝑒𝑐ℎ𝑎 = 2 ∙ 𝜋 ∙ ሶ𝑛 ∙ 𝑇

ሶ𝒏: número de revoluciones por unidad de tiempo

T: momento de torsión

USO DE ECUACIONESDetermine la potencia transmitida por la flecha de un automóvil

cuando el momento de torsión aplicado es 200 N·m y la flecha gira a razón de 4000 revoluciones por minuto (rpm).

FORMAS DE LA ENERGÍA

Documents

Transcript of FORMAS DE LA ENERGÍA