Lecciones de termodinamica i tema 1 1

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  • TERMODINAMICA I

    IM 0313

    LECCION 2

    Ing. Marcela Shedden H.

  • Ing. Marcela Shedden Escuela de Ingeniera Mecnica

    TERMODINAMICA I IM 0313

    TEMA II. TRANSFERENCIA DE ENERGA POR

    CALOR, TRABAJO Y MASA. FORMAS

    MECNICAS Y NO MECNICAS

    La Primera Ley de la Termodinmica establece que la energa no se crea ni se destruye, solo cambia de una forma a otra. Este es el principio de conservacin de energa expresado por esta ley. Ejemplos son los siguientes.

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  • Formas de energa

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    La termodinmica no da valores absolutos de la energa

    total, solo cambios de energa. Por eso se asigna un

    valor de cero a algn punto de referencia conveniente.

    Los cambios de energa total en un sistema son

    independientes del punto de referencia seleccionado.

    Hay formas macroscpicas de energa y formas

    microscpicas de energa.

    Las formas macroscpicas son las que un sistema posee

    respecto a un marco de referencia exterior, como las

    energas cintica y potencial.

    La energas microscpicas se relacionan con la estructura

    molecular y el grado de actividad molecular, y su suma es

    la energa interna de un sistema que se denota con U.

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    La energa interna es una forma esttica de energa y se puede decir

    que est almacenada dentro del sistema.

    Las formas de energa no almacenadas en el sistema se reconocen

    cuando atraviesan las fronteras del sistema y representan energa que

    este gana o pierde durante un proceso.

    En sistemas cerrados esta energa puede ser transferencia de calor y/o

    trabajo.

    Comnmente llamamos calor a una forma sensible y una forma

    latente de la energa interna, pero en termodinmica estas se

    denominan energa trmica para no confundirla con la transferencia de

    calor.

    Debemos diferenciar entre la energa cintica de un objeto como un

    todo y las energas cinticas microscpicas de sus molculas.

    La de un objeto es una energa cintica organizada. Las de las

    molculas son una forma de energa cintica desorganizada.

    El calor es una forma de energa desorganizada que se convierte en

    trabajo que es una forma organizada de energa.

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    La energa mecnica es la forma de energa que se puede convertir

    completamente en trabajo mecnico de modo directo mediante un

    dispositivo mecnico.

    Muchos sistemas de ingeniera se disean para transportar un fluido de un

    lugar a otro a determinado flujo volumtrico y velocidad y deiferencia de

    elevacin mientras el sistema genera o consume trabajo.

    Los sistemas mecnicos no tienen que ver con energa nuclear, qumica o

    trmica convirtindose en energa mecnica, no hay en ellos una

    transferencia de calor importante y operan esencialmente a temperatura

    constante.

    En estos sistemas solo se analizan las formas mecnicas de la energa y los

    efectos que causa la friccin.

    Para que los fluidos se muevan por los sistemas se requiere presin

    empujndolos a travs de estos a lo largo de una distancia, y esto produce

    el llamado trabajo de flujo en la cantidad P/ por unidad de masa.

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    emecnica =

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    CALOR

    El calor es la forma de energa transmitida a travs del lmite de unsistema que est a una temperatura, a otro sistema o alrededores queestn a una temperatura ms baja, por la diferencia de temperaturaque tienen. Siempre se transmite del sistema de mayor temperatura alde menor temperatura.

    El calor no est contenido en un sistema. Se identifica solo cuandocruza los lmites. Por eso es un fenmeno de transicin o transitorio.

    Las unidades que se usan son la kilocalora en el sistema internacionaly el BTU en unidades inglesas.

    Se define la kilocalora como la energa necesaria para aumentar en unC una masa de un kilogramo

    El BTU se define como la energa necesaria para aumentar en un Funa masa de una libra.

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    El calor transmitido a un sistema es positivo.

    El calor transmitido desde un sistema es negativo.

    Se usa la letra Q para simbolizar el calor. Entre un estado1 y otro 2 se tiene:

    = 1Q2 (23)

    La rapidez con que se transmite calor a un sistema es:

    = (24)

    Y el calor por unidad de masa es

    q = (25)

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    Por ejemplo, (ejemplos 2.5 y 2.6 del Cengel) el caso de un hornoelctrico bien aislado en el cual en un caso se toma como sistematodo el interior de este, y en otro solo el aire contenido en este.

    En el primer caso el sistema incluye la resistencia o elemento decalentamiento por lo que por las fronteras del sistema fluyeenerga elctrica que es un trabajo.

    En el segundo caso, al tomar solo el aire como sistema, laresistencia o elemento de calentamiento no est incluida en elsistema, por lo que en este caso el cambio energtico implicaruna transferencia de calor hacia el sistema.

    Este libro tambin usa el calentamiento de un alimento en unhorno a 200C (ej. 2.4), en donde el alimento es el sistema aestudiar, y esto hace que el proceso sea de transferencia de calor.

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    Trabajo

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    El trabajo por unidad de masa es:

    = W/m (19)

    Donde m es la masa

    El trabajo desarrollado por unidad de tiempo es lapotencia. Se indica con un punto sobre el smbolo detrabajo y se expresa as:

    = W/dt (20)

    La unidad de potencia es el hp o caballo de potencia. Suequivalencia es:

    1 hp = 0,746 kW = 76,04 kgf-m/s

    1 kW = kJ / s

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    El trabajo depende de la trayectoria porque no es undiferencial exacto. Matemticamente lo indicamos con para asentar esta condicin:

    W = P A dL = P dV (21)

    En donde W es el trabajo diferencial hecho, P es laPresin, A es el rea del pistn y dL es el recorrido delpistn.

    Note que dL y dV se indican con una d, para diferenciarsu condicin de diferenciales exactos.

    Si integramos la ecuacin 21 tendremos:

    W = dV (22)

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    Para resolver la integral necesitamos conocer larelacin entre P y V, o sea tener P = f(V), porquedependiendo de la trayectoria as tendremos valoresdiferentes para la integral, que es el rea bajo la curvaP = f(V). Diferentes trayectorias darn diferentesvalores!

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    Para todas estas trayectorias se asume que elproceso ocurri en cuasiequilibrio de forma que sise quiere invertir e ir de 2 a 1, se sigue la mismatrayectoria.

    Esta clase de propiedades que dependen de latrayectoria se denominan funciones detrayectoria. El trabajo es una funcin detrayectoria.

    Cuando el valor de la integral no depende de latrayectoria, como sucede con la distancia o elvolumen, se dice que la propiedad es una funcinpunto.

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    El ejemplo de la pgina 94 del Van Wylen, el 4.1 ilustra este efecto dela trayectoria para un sistema con mbolo cuya presin cambiasiguiendo distintos procesos. En los tres casos el volumen inicial y elfinal tienen los mismos valores V1 y V2. La solucin detallada estentre los problemas del captulo 1 subidos a Mediacin virtual.

    Sin embargo en el caso A la presin es constante, en el caso B lapresin sigue la ecuacin del gas ideal y P=P1V1/V y en el caso C estacambia cumpliendo PV1,3 = cte.

    Los valores para el trabajo dan:

    WA = 794 kgf-m

    WB = 437,4 kgf-m y

    WC = 371,7 kgf-m

    Siendo obvio que la trayectoria afecta el valor del trabajo hecho, o enotras palabras, al pasar por procesos diferentes, el valor del trabajovara.

  • Ing. Marcela Shedden Escuela de Ingeniera Mecnica

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    En el caso que tenemos de ejemplo que es el de un mbolo en unpistn en diferentes condiciones, los lmites del sistema sonmviles.

    Sin embargo, un sistema puede hacer trabajo, o puede hacersetrabajo sobre el sistema, de muchas