Lecciones de termodinamica i tema 1 1
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TERMODINAMICA I IM 0313 LECCION 2 Ing. Marcela Shedden H.
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TERMODINAMICA I
IM 0313
LECCION 2
Ing. Marcela Shedden H.
Ing. Marcela Shedden Escuela de Ingeniería Mecánica
TERMODINAMICA I IM 0313
TEMA II. TRANSFERENCIA DE ENERGÍA POR
CALOR, TRABAJO Y MASA. FORMAS
MECÁNICAS Y NO MECÁNICAS
La Primera Ley de la Termodinámica establece que la energía no se crea ni se destruye, solo cambia de una forma a otra. Este es el principio de conservación de energía expresado por esta ley. Ejemplos son los siguientes.
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Formas de energía
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La termodinámica no da valores absolutos de la energía
total, solo cambios de energía. Por eso se asigna un
valor de cero a algún punto de referencia conveniente.
Los cambios de energía total en un sistema son
independientes del punto de referencia seleccionado.
Hay formas macroscópicas de energía y formas
microscópicas de energía.
Las formas macroscópicas son las que un sistema posee
respecto a un marco de referencia exterior, como las
energías cinética y potencial.
La energías microscópicas se relacionan con la estructura
molecular y el grado de actividad molecular, y su suma es
la energía interna de un sistema que se denota con U.
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La energía interna es una forma estática de energía y se puede decir
que está almacenada dentro del sistema.
Las formas de energía no almacenadas en el sistema se reconocen
cuando atraviesan las fronteras del sistema y representan energía que
este gana o pierde durante un proceso.
En sistemas cerrados esta energía puede ser transferencia de calor y/o
trabajo.
Comúnmente llamamos calor a una forma sensible y una forma
latente de la energía interna, pero en termodinámica estas se
denominan energía térmica para no confundirla con la transferencia de
calor.
Debemos diferenciar entre la energía cinética de un objeto como un
todo y las energías cinéticas microscópicas de sus moléculas.
La de un objeto es una energía cinética organizada. Las de las
moléculas son una forma de energía cinética desorganizada.
El calor es una forma de energía desorganizada que se convierte en
trabajo que es una forma organizada de energía.
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La energía mecánica es la forma de energía que se puede convertir
completamente en trabajo mecánico de modo directo mediante un
dispositivo mecánico.
Muchos sistemas de ingeniería se diseñan para transportar un fluido de un
lugar a otro a determinado flujo volumétrico y velocidad y deiferencia de
elevación mientras el sistema genera o consume trabajo.
Los sistemas mecánicos no tienen que ver con energía nuclear, química o
térmica convirtiéndose en energía mecánica, no hay en ellos una
transferencia de calor importante y operan esencialmente a temperatura
constante.
En estos sistemas solo se analizan las formas mecánicas de la energía y los
efectos que causa la fricción.
Para que los fluidos se muevan por los sistemas se requiere presión
empujándolos a través de estos a lo largo de una distancia, y esto produce
el llamado trabajo de flujo en la cantidad P/ρ por unidad de masa.
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∆emecánica =
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CALOR
El calor es la forma de energía transmitida a través del límite de unsistema que está a una temperatura, a otro sistema o alrededores queestén a una temperatura más baja, por la diferencia de temperaturaque tienen. Siempre se transmite del sistema de mayor temperatura alde menor temperatura.
El calor no está contenido en un sistema. Se identifica solo cuandocruza los límites. Por eso es un fenómeno de transición o transitorio.
Las unidades que se usan son la kilocaloría en el sistema internacionaly el BTU en unidades inglesas.
Se define la kilocaloría como la energía necesaria para aumentar en un°C una masa de un kilogramo
El BTU se define como la energía 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 hornoeléctrico 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 fluyeenergía eléctrica que es un trabajo.
En el segundo caso, al tomar solo el aire como sistema, laresistencia o elemento de calentamiento no está incluida en elsistema, por lo que en este caso el cambio energético implicaráuna transferencia de calor hacia el sistema.
Este libro también usa el calentamiento de un alimento en unhorno a 200°C (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:
ω = W/m (19)
Donde m es la masa
El trabajo desarrollado por unidad de tiempo es lapotencia. Se indica con un punto sobre el símbolo detrabajo y se expresa así:
= δW/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. Matemáticamente lo indicamos con “δ”para asentar esta condición:
δW = P A dL = P dV (21)
En donde δW es el trabajo diferencial hecho, P es laPresión, A es el área del pistón y dL es el recorrido delpistón.
Note que dL y dV se indican con una “d”, para diferenciarsu condición de diferenciales exactos.
Si integramos la ecuación 21 tendremos:
δW = dV (22)
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Para resolver la integral necesitamos conocer larelación entre P y V, o sea tener P = f(V), porquedependiendo de la trayectoria así tendremos valoresdiferentes para la integral, que es el área bajo la curvaP = f(V). Diferentes trayectorias darán diferentesvalores!
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Para todas estas trayectorias se asume que elproceso ocurrió 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 función 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 funciónpunto.
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El ejemplo de la página 94 del Van Wylen, el 4.1 ilustra este efecto dela trayectoria para un sistema con émbolo cuya presión cambiasiguiendo distintos procesos. En los tres casos el volumen inicial y elfinal tienen los mismos valores V1 y V2. La solución detallada estáentre los problemas del capítulo 1 subidos a Mediación virtual.
Sin embargo en el caso A la presión es constante, en el caso B lapresión sigue la ecuación 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 trabajovaría.
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En el caso que tenemos de ejemplo que es el de un émbolo en unpistón en diferentes condiciones, los límites del sistema sonmóviles.
Sin embargo, un sistema puede hacer trabajo, o puede hacersetrabajo sobre el sistema, de muchas formas diferentes.
Por ejemplo:
• Elongando una película superficial
• magnéticamente
• eléctricamente
• por esfuerzos cortantes en líquidos viscosos
• por elevar o acelerar un cuerpo
• nuclearmente
• Por resorte
• por flecha o eje rotatorio
• deformando barras sólidas
El tipo de trabajo realizado o hecho sobre un sistema, va a variar porlo tanto, dependiendo de la aplicación en la cual se aprovecha.
Trabajo de resorte
El trabajo hecho por un resorte es el resultante de aplicar a
este una fuerza haciendo que cambie su longitud. En este
caso el trabajo efectuado es:
δWresorte = Fdx
En el caso de resorte elásticos lineales la fuerza F es
F = k x
En donde k es la constante del resorte y tiene unidades de
kN/m. Si esta se sustituye en la ecuación del trabajo y se
realiza la integración en el tramo elongado o recortado del
resorte se tiene:
Wresorte = (k/2 ( ) kJ
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Bibliografía
1. Çengel,Yunus A. y Michael A. Boles.
Termodinámica. McGraw-Hill / Interamericana
Editores SA de CV. VI Edición. México, 2008
2. Van Wylen, Gordon J. y Richard E. Sonntag.
Fundamentos de termodinámica. Editorial
Limusa-Wiley SA. I Edición, México, 1967
3. http://unefa-termodinamica.blogspot.com
/2009_06_01_archive.html
