Libro Termodinamica Cap 8 Trabajo y Calor Hadzich

Cap 8 Trabajo y calor - Pg. 1

Termodinmica para ingenieros PUCP

INTRODUCCIN

Ahora que ya sabemos encontrar las propiedades de cualquier sustancia o portador de energa, lo que falta es ver cmo el ser humano le puede sacar provecho, ya sea almacenando o ex-trayendo calor o trabajo. Existen varios tipos de Calor y Trabajo, pero solamente trabajaremos con aquellos que en este curso estn relacionados entre s y que forman parte de las llamadas Mquinas Trmicas. Posteriormente - con la Primera y Segunda Ley de la Termodinmica - relacionaremos el calor y el trabajo y empezaremos a disear y seleccionar mquinas, tales como el motor de carro, de los aviones, refrigeradoras, aire acondicionado, Centrales a gas y vapor, etc.

Cap. 8

Trabajo y Calor

Cmo se medira el trabajo de este cargador frontal?

Cul sera la relacin entre trabajo y calor en este motor?



8. TRABAJO Y CALOR

8.1 CALOR ( Q )Es una interaccin energtica entre un sistema o VC y sus alrededores a travs de aquellas porciones de los lmites del sistema o VC que no hay transferencia de masa, como consecuencia de la diferencia de temperatura entre el sistema o VC y sus alrededores.

Caractersticas:

- Esenergatransitoria;semanifiestasolamentedurantelosprocesos.- No es almacenable. Un cuerpo o sistema nunca contiene calor.- SemanifiestaenloslmitesdelsistemaoVC.- No es una propiedad termodinmica, debido a que su magnitud depende del proceso seguido, es decir depende

de la trayectoria.

Convencin de signos:

(+) Cuando ingresa al sistema o VC. (-) Cuando sale del sistema o VC.

Unidades:

/Q/SaleExtradoEvacuadoDisipadoNEGA-TIVO

Q (+)EntraSum-inistrado

T2

T2T1T2T1

T1

T3T3

U1 > U2SemanifiestaCalor U3 = U3

8.2 TIPOS DE CALOR

Q suministrado (+) = el sistema recibe calor

/ Q evacuado / (-) = Se saca calor a la fuerza

/ Q disipado / (-) = Se va calor al ambiente Qd = 0 = ADIABATICO

/ Q friccin / (-) = Sale calor en los procesos irreversibles

Q

SISTEMA o VC

duchafra

Tengo Calor!..(est bien dicho?)


8.3 Mquinas de Calor:

Caldera: (Q(+)) Refrigeradora: (Q(-)) Intercambiadores: (Q(+)) y (Q(-)) Q (+) Q (+)

Q (+) Q(-)Q(-) Q (+) Q(-)

Q(-)

Diga en cada una de las figuras si el calor es positivo o negativo.

En cada una de las figuras de esta pgina indique y dibuje si el calor sale o entra o si es adiabtico.



8.4 TRABAJO: (W)Es una transferencia de energa entre un sistema o VC y sus alrededores, a travs de aquellas porciones de los lmites del sistema o VC que no hay transferencia de masa, como consecuencia de una diferencia en una propiedad intensiva de la temperatura, entre el sistema o VC y sus alrededores.

Caractersticas:

Las caractersticas mencionadas para el calor tambin se cumplen para el trabajo.

Convencin de signos:

(-) Cuando ingresa al sistema o VC. (+) Cuando sale del sistema o VC.

Unidades:

kJ/kg J/kg : w ; wm WkW kJ/s W s / J : W

kJ. J : W

===

W (+)ProducidoPOSITIVO

W (-)RecibidoNEGA-

La Termodinmica estudia las relaciones existentes entre calor Q y trabajo W.

El que da es POSITIVO y el que recibe NEGATIVO

Centrales Trmicas - abier-tas y cerradas

SISTEMA o VC


Formasenquesemanifiestaeltrabajo:

- Trabajo Mecnico: (WM)

Es el realizado por fuerzas externas actuando sobre las fronteras del sistema como resultado pueden variar la energa cintica y la energa potencial del sistema o VC ms no las magnitudes de estado.

Trabajo realizado sobre el sistema:

+=

+=

)zz(mg2

)cc(mW

) E E (- W

12

21

22

2)-M(1

PK2)-M(1

dx)FCosF(dWdxFdx)CosF(W

21M

21M

+=+=

a

a

Sobre las energas cinti-cas y potenciales ya estu-diamos en Fsica, en este curso estaremos dentro de las mquinas.

Cmo cambia la energa en cada tramo del recorrido?



- Trabajo de friccin: (WW)

Es el trabajo realizado por fuerzas que actan tangencialmente al lmite del sistema. Este trabajo se transforma totalmente en calor.

WW QW =

Sin la friccin no podramos caminar.....

El diseo de las llantas y las pistas se hace tomando en cuenta este trabajo de friccin.

el diseno de los lubricantes se hace tomando en cuenta la friccion....je, je, je

La friccin siempre ser negativa y la es-tudiaremos profunda,mente en la Segunda Ley de la Termodinmica.


- Trabajo Tcnico o al Eje: )W( t (Trabajo al freno - Brake Power)

Es el trabajo que se puede formar de un eje. (rectilneo o rotatorio)Las unidades en que se mide es Watt o kW.

w= TWt

(rad/s) angular velocidad :m)(N Torque :T

w

al tratar de pararlo me trata de levantar, entonces mi peso seria la fuerza por la distan-cia de mi brazo (que sera la longitud) hace el torque T = F x d, y si lo multiplicamos por la RPM (en rad/s) nos da la potencia o el trabajo tec-

Todos los ejes, ya sean alternativos o rotatorios dan trabajo tcnico

En el motor el trabajo alternativo se convierte en rota-tivo- sis-tema biela manivela

En el laboratorio se calcula la potencia o ytrabajo tcnico en los llamados Frenos de Prony

w= 2 RPM/60

Qu falta en esta frmula?



- Trabajo elctrico: (WE)

Es el realizado como una consecuencia de una diferencia de potencial elctrico, se puede transformar totalmente en calor a travs de una resistencia elctrica.

tIVWE =

Todo el trabajo elctrico se puede convertir en Calor de Friccin, pero al revs no.

el voltaje es constante (220 V) y lo que pagamos es la carga o intensidad I en

Es mejor trabajar con calor que con trabajo elctrico....slo por facilidad

Si realizo un trabajo elctrico de 1000 W, cuntro de calor podr obtener?


- Trabajo de cambio de volumen: (WV )Es el trabajo realizado por el desplazamiento de las fronteras del sistema, debido a las fuerzas externas que actan perpendicularmente al sistema y que dan una variacin del volumen del sistema.

PdVdWVPdAPdFW

====

Luego: )VP(AW

PdVW

)21(V

2

1)21(V

=

=

Los clculos de Wv para cada proceso politrpico estn en la pg. 13

Si estamos dentro del cilin-dro ser el mximo trabajo terico que el motor puede hacer, este es Wv.

Posteriormente en el eje, la biela y el cigueal se convi-erten en trabajo tcnico Wt; en esta conversin se pierde trabajo por friccin.

Por qu sube el pistn?



- Trabajo de Flujo: )W( F

Es la energa requerida para extraer masa de un VC, se presenta solamente en los VC. (no representa a la definicindetrabajoysetratadeunapropiedad)

==

2

1)21(f

1122)21(f

)VP(dW

VPVPW

8.5 ENTALPIA:Es el resultado de combinar dos propiedades.

v P u hV P U H

+=+=

Donde: U : energa internaP x V : trabajo por desplazamiento

Es una propiedad extensiva: h m H =

Notienesignificadofsicoslofacilitaelanlisis.

Cuando algun portador de energia esta detenido (o parado) trabajaremos con la energia interna, pero cuando se mueve, como por ejemplo el agua de la man-guera, trabajaremos con entalpias, en-

Qu tipo de trabajo se realiza en este caso?

Recuerde :Energa interna U en movimiento es igual a Entalpa H.


8.6 CICLOS:

Cuandoregresaotravezalestadoinicialysepuederepetirindefinidamente.En un ciclo termodinmico se cumple:

Ciclo Positivo: sentido horario.

Ejemplo: Mquinas Trmicas o Motores.

dosuministraA

tth Q

total TrabajoQ

W== h

Ciclo Negativo: sentido antihorario.

Ejemplo: Mquinas Refrigeradoras.

total TrabajoQ

WQ

COP dosuministrat

B)(th ===h

= QW

Coeficiente de Performance = COP

Rendimiento Trmico

Qu ciclo realiza esta locomotora?

Cul sera el portador de energa?

Ser un ciclo positivo o negativo? Por qu?



RESUMENTRABAJO DE CAMBIO DE VOLUMEN W v

PROCESO SUSTANCIA PURA GAS IDEAL

Isobrico: P = Cte.

Isocrico: V = Cte.

Isotrmico: T = Cte.

Politrpico:

Pvn = Cte.


PROBLEMAS DE TRABAJO

1. Cincuenta kg de etileno estn contenidos en un sistema a las condiciones iniciales de 10.24MPa y 50C; dicha sustancia realiza un proceso isobrico hasta una temperatura de 122C. Se pide determinar el trabajo de cambio de volumen realizado durante el proceso, en kJ.

2. Un globo esfrico tiene un dimetro de 20cm y contiene aire a 1.2bar; se le suministra calor de tal forma que el dimetro del globo aumenta hasta 40cm. Si durante este proceso la presin del aire contenido en el globo es proporcional a su dimetro y se supone que el proceso es cuasiesttico, se pide determinar el trabajo desarrollado durante el proceso, en kJ. P = KD



3. Demostrar que para cualquier gas ideal que realiza un proceso politrpico Pvn, el trabajo de cambio de volumen viene dado por:

y el calor viene dado por:

Wv12 = m R (T2 - T1) / (1-n)

Q12= (k-n)/(k-1) x Wv12

En qu casos se puede aplicar esta ecuacin ?


4. Se tiene 0.8kg de H2o a 1 bar y x=15%, se encuentra encerrado en el recipiente mostrado. Se le transfiere calor hasta que la Presin es de 6bar. Si la presin necesaria para equilibrar el pistn es de 2bar, se pide:

a) Determinar si al final se tiene: vapor hmedo o sobrecalentadob) Graficar los procesos en los diagramas P-v y T-vc) Hallar el trabajo de cambio de volumen.

Estas dos figuras tienen errores en el punto 3, por qu?



5. El dispositivo cilindro-pistn mostrado contiene 0.5kg de Nitrgeno, inicialmente a 1bar y 27C. En la posicin mostrada el pistn se encuentra apoyado en los topes inferiores y el resorte, que se encuentra en su posicin natural, no ejerce presin sobre el pistn. Asumiendo que los procesos son cuasiestticos y que el proceso finaliza cuando la presin del nitrgeno es de 5bar, se pide determinar el trabajo total efectuado en kJ, y graficar los procesos en el diagrama P-v.


6. El dispositivo mostrado en la figura contiene inicialmente cierto gas ideal (R=0.189kJ/kg-K) a 6bar y 300C. La dimensin a es inicialmente 20cm. El gas comienza a enfriarse lentamente y el pistn se desplaza hacia la izquierda hasta que a=12cm. Si se supone que el proceso es cuasiesttico, se pide determinar:

a) La temperatura final del agua en C.b) El trabajo de cambio de volumen efectuado en kJ.

aire

P2= 600 - 75 = 525

525

Completar



7.-


PROBLEMAS-TRABAJO

8. Un sistema contiene 4kg de aire inicialmente a 1bar y 27C, realiza un ciclo compuesto por los siguientes procesos politrpicos: (1-2): n =k ; (2-3): n =1; (3-4): n =0; (4-1): n =-0.5. Se pide determinar el trabajo neto del ciclo, en kJ, si se sabe que V1 = 4V2 = V3QUE DATO FALTARA PARA QUE EL PROBLEMA EST BIEN PROPUESTO?.

Es un ciclo positivo o negativo?



9. Cinco kg de aire (considere como gas ideal) inicialmente a 4 bar y 227C, realizan el siguiente ciclo reversible:1-2: Compresin politrpica2-3: Expansin adiabtica3-1: Proceso IscoroSi durante la compresin politrpica se suministra al sistema un trabajo de cambio de volumen de 200kJ y se transfiere 450kJ de calor al medio ambiente, se pide:a) Determinar el trabajo neto del ciclo, en kJ.b) Determinar el calor neto del ciclo, en kJ.c) Graficar el ciclo en un diagrama P-vd) Decir si se trata de un ciclo positivo o negativo.

Es un ciclo positivo o negativo?


10. Diez kg de agua (sustancia pura) realiza un ciclo compuesto por los siguientes procesos:1-2: calentamiento iscoro2-3: proceso isobrico hasta lquido saturado3-1: proceso Pvn =cte

Si P1 = 100kPa, V2=0.4175m3 y T3=295.06C, se pide:a) Tabular las P(kPa), V(m3) y T(C)b) Determinar el trabajo neto del ciclo en kJc) Graficar el ciclo en el diagrama P-vd) Calcular la sumatoria de calores, en kJ.

Este ciclo puede ser de un motor o de una refrigeradora?



11. Cinco kg de cierto gas ideal (Cp=1.2kJ/kg-K y Cv=1kJ/kg-k) inicialmente a 100kPa y 27C, realizan los siguientes procesos reversibles:(1-2): politrpico(2-3): adiabtico hasta P3=150kPa(3-4): isocrico(4-1): isobricoSi se sabe que durante el proceso politrpico (1-2) se suministran 1200kJ de trabajo de cambio de volumen y 1800kJ de calor, se pide:

a) Determinar los calores transferidos en los procesos (3-4) y (4-1), en kJ.b) Graficar el ciclo en el diagrama P-vc) Decir si es un ciclo positivo o negativo.

Completar

Este ciclo puede ser de un motor o de una refrigeradora?

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