calor y trabajo

5/21/2018 Calor y Trabajo

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31-5-2014

INGENIERA MECNICA ELCTRICA

DOCENTE:

Edilbrando Vera Caldern

INTEGRANTES:

Carrillo Martos, Jos

vila Urquiza, Wilmer

Muoz Muoz, edgar

Rojas Urrutia, Hugo

CURSO:

Mquinas Trmicas

CICLO:

VII

2014


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1. CALOR Y TRABAJO

Son intercambios energticos que tienen lugar como consecuencia de las

interacciones que pueden experimentar los sistemas termodinmicos. Tanto el

calor como el trabajo son manifestaciones externas de la energa y nicamente se

evidencian en las fronteras de los sistemas y solamente aparecern cuando estos

experimenten cambios en sus estados termodinmicos. En las interacciones que

experimentan los sistemas, estos pueden recibir o ceder energa. La energa se

considera como una magnitud algebraica establecindose el siguiente criterio:

trabajo que proporciona el sistema positivo y el que recibe negativo. As mismo, el

calor suministrado al sistema se considera positivo y el cedido por l negativo.

A. TRABAJOa) Definicin mecnica

Es el producto de una fuerza por la distancia recorrida en la direccin de la fuerza.

b) Definicin termodinmica

El trabajo es una transferenciade energa, es decir, es un paso de energa de

un sitio a otro, no es algo que se tiene o se almacena.

El trabajo se localiza en la frontera del sistema, es una entrada o salida por las

paredes del sistema, y no se refiere al interior de ste.

Est asociado al cambio de las variables macroscpicas, como pueden ser el

volumen, la presin, la posicin y velocidad del centro de masas, el voltaje,

etc. Se realiza trabajo cuando se acelera un objeto, cambiando la velocidad de

su CM. Por contra, si lo que se hace es aumentar la temperatura de un gas,


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incrementando la energa cintica de cada partcula, a este proceso lo

llamamos calor.

TRABAJO DE UN SISTEMA

El trabajo es la cantidad de energa transferida de un sistema a otro medianteuna fuerza cuando se produce un desplazamiento.

Consideremos un arreglo cilindro-pistn que encierra una cierta masa de gas que

ejerce presin sobre la cara del pistn de superficie A. Si el pistn se desplaza

hacia la izquierda debido a la aplicacin de una fuerza F externa se dir que los

alrededores ejercen trabajo sobre el gas y su valor infinitesimal ser:

Dicindose en este caso que el gas ha sido comprimido

El trabajo se puede expresar como

El trabajo total se calcula como

Para lo cual se hace preciso el conocimiento de la funcin P = P(V) que relacione

la presin con el volumen a lo largo de todo el proceso de interaccin


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PROCESOS TERMODINMICOS

Proceso iscoroEn un proceso a volumen constante, dV= 0y por tanto no se realiza trabajo sobre

el sistema

Proceso isbaro

Proceso isotrmico


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()

Proceso adiabtico

Entermodinmica se designa como proceso adiabticoa aqul en el cual

elsistema (generalmente, unfluido que realiza untrabajo)no

intercambiacalor con su entorno.

El trabajo Wrealizadoporel sistema se define como

B. CALOR

Es la forma de energa que se transmite a travs del lmite de un

sistema que est a una temperatura a otro sistema (o al medio

exterior) a una temperatura mas baja debido a la diferencia de

temperatura entre los dos sistemas.

El calor es una funcin de trayectoria y su diferencial es inexacta, luego
http://es.wikipedia.org/wiki/Termodin%C3%A1micahttp://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_termodin%C3%A1micohttp://es.wikipedia.org/wiki/Fluidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Trabajo_(f%C3%ADsica)http://es.wikipedia.org/wiki/Calorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Calorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Trabajo_(f%C3%ADsica)http://es.wikipedia.org/wiki/Fluidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_termodin%C3%A1micohttp://es.wikipedia.org/wiki/Termodin%C3%A1mica


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+ CAPACIDAD CALORFICA

El calor especfico es unamagnitud fsica que se define como la cantidad de calor

que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema

termodinmico para elevar su temperatura en una unidad

CANTIDAD DE CALOR PARA CAMBIO DE FASE

El calor latente es laenerga requerida por una cantidad de sustancia paracambiar de fase, deslido alquido (calor de fusin) o de lquido a gaseoso(calor de vaporizacin).

Cantidad de calorMasa

Calor latente

COMPARACION ENTRE CALOR Y TRABAJO

Calor y trabajo son, ambos, fenmenos transitorios. Los sistemas nunca tienen

calor o trabajo, pero cualquiera o ambos cruzan los lmites del sistema, cuando

ste sufre un cambio de estado.

Ambos, calor y trabajo, son fenmenos de lmite. Ambos se observan solamente

en los lmites del sistema y ambos representan la energa que cruza el lmite del

sistema.

Ambos, calor y trabajo, son funciones de trayectoria y diferenciales inexactas.

Por conveccin +Q representa calor transferido al sistema y, que por tanto, es

energa aadida en l, y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto

representa energa que sale de l.
http://es.wikipedia.org/wiki/Magnitud_f%C3%ADsicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_termodin%C3%A1micohttp://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_termodin%C3%A1micohttp://es.wikipedia.org/wiki/Calorhttp://es.wikipedia.org/wiki/S%C3%B3lidohttp://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADquidohttp://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADquidohttp://es.wikipedia.org/wiki/S%C3%B3lidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Calorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_termodin%C3%A1micohttp://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_termodin%C3%A1micohttp://es.wikipedia.org/wiki/Magnitud_f%C3%ADsica


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1. VAPOR Y LQUIDO SATURADO

1) VAPOR SATURADO

Vapor saturado: es un vapor a punto de condensarse. Cualquier prdida de

calor causar que algo de vapor se condense. Pues se divide en los siguientes

tipos

a) Ttulo de vapor

Es el porcentaje de vapor / agua a temperatura de ebullicin.

Por ejemplo: vapor con un ttulo del 90% indica un 10% de agua en su contenido.

b) Vapor saturado hmedo

Es el generado en contacto con el agua. Nos referimos a l al decir simplemente

vapor.

c) Vapor saturado seco

Es el vapor a temperatura de ebullicin con un 100% de ttulo de vapor, es decir

que no contiene partculas de agua en suspensin. Es una calidad ideal de vapor.

d) Vapor sobrecalentado

Al vapor saturado producido por una caldera se lo recircula por un intercambiador

de calor sobreelevando la temperatura correspondiente a la presin de trabajo.


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Este vapor es utilizado solamente en sistemas donde adems de mayor

temperatura de intercambio se requiere un alto ttulo de vapor para evitar

condensaciones que daen los equipos donde se usa.

Vapor Saturado Hmedo

Con un porcentaje de agua.

Saturado Seco

100% seco a temperatura normal a su correspondiente presin.

Sobrecalentado100% seco a temperatura superior a la que corresponde a su presin.

EJERCICIOS

1.-Una masa de 5Kg de vapor de agua saturada a 200KPa se calienta a presin

ctte. Hasta que la T=300C. Calcule el trabajo realizado por el vapor durante este

proceso


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2.-Un dispositivo de cilindro-mbolo sin friccin contiene inicialmente. 200 (L) de

refrigerante 134 lquido saturado. El mbolo tiene libertad para moverse y su masa es tal

que mantiene una presin de 800 (kPa) sobre el refrigerante. Luego, el refrigerante se

calienta hasta 50 (C). Calcule el trabajo realizado durante este proceso.

SOBRECALENTADO


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3.-Una masa de 2,4 (kg) de aire a 150 (kPa) y 12 (C) est contenida en, un dispositivohermtico de gas de cilindro-mbolo sin friccin. Despus el aire le comprime hasta una

presin final de 600 (kPa). Durante el proceso se transfiere calor desde el aire para que la

temperatura en el interior del cilindro se mantenga constante. Calcule el trabajo

ingresado durante este proceso.


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4.-Durante un proceso de expansin, la presin de un gas cambia de 15 a 100 (psia) de

acuerdo con la relacin P = a V + b, donde a = 5 (psia/pie3 ) y b es una constante. Si el

volumen inicial del gas es 7 (pie3 ), calcule el trabajo efectuado durante el proceso


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5.-EL dixido de carbono contenido en un dispositivo de cilindro-mbolo se comprime de

0,3 a 0,1 (m3). Durante el proceso, la presin y el volumen se relacionan mediante P = Av-2,

donde a = 8 (kPa . m6). Calcule el trabajo efectuado sobre el dixido de carbono durante

este proceso


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MQUINAS TERMICAS Y EFICIENCIA TRMICA

Una mquina trmica es un dispositivo que, operando de forma cclica, toma de

calor de un foco caliente, realiza un cierto trabajo (parte del cual se emplea enhacer funcionar la propia mquina) y entrega calor de desecho a un foco fro,

normalmente el ambiente.

Para el clculo de la potencia til simplemente se multiplica el par producido por

las rpm para el rgimen del motor:

El clculo del calor suministrado se realiza multiplicando el flujo msico de mezcla

que ingresa a la cmara por el poder calorfico del combustible.

Rendimiento de una mquina trmica


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Se define el rendimiento de una mquina trmica segn el principio general de lo

que obtenemos dividido por lo que nos cuesta. En este caso, lo que obtenemos

es el trabajo neto que sale de la mquina. Lo que nos cuesta es el calor que

entra procedente del reactor. Por tanto

Ejercicios:

1) La energa solar almacenada en grandes cuerpos de agua, que se llaman estanques

solares, se utiliza para generar electricidad. Si una planta de energa solar tiene una

eficiencia de 4% y una generacin neta de 350 kW, determine el valor promedio de

la taza necesaria de recoleccin de energa solar, en BTU/h

2) En 2001, Estados Unidos produjo 51 por ciento de su electricidad, 1.878

X1012kWh, en plantas con quemadores de carbn. Tomando la eficiencia

trmica promedio como 34%, determine la energa trmica rechazada por

las plantas elctricas de carbn en ese ao en Estados Unidos. Respuesta:

HORNO

MT

SUMIDE

RO

1.878 X10 kWh,

34%


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3) El Departamento de energa proyecta que entre los aos 1995 y 2010,

Estados Unidos necesitar construir nuevas plantas elctricas para generaruna cantidad adicional de 150.000.000 MW de electricidad para responder

a la demanda creciente de potencia elctrica. Una posibilidad es construir

plantas con quemadores de carbn, cuya construccin cuesta US $1.300

por kW y tienen una eficiencia de 34 por ciento. Otra posibilidad es usar las

plantas ms limpias ecolgicamente de Ciclo Combinado de Gasificacin

Integrada (IGCC, por sus siglas en ingls), en las que el carbn se somete

a calor y presin para gasificarlo al mismo tiempo que se eliminan el azufre

y sus derivados. El carbn gasificado se quema luego en una turbina de

gas, y parte del calor de desecho de los gases de escape se recupera para

generar vapor para la turbina de vapor. Actualmente la construccin de

plantas IGCC cuesta alrededor de US $1.500 POR kW, pero su eficiencia

es alrededor de 45 por ciento. El poder calorfico promedio del carbn es

QS=3.646*1012KWh


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alrededor de 28.000.000 kJ por tonelada (es decir, se liberan 28.000.000 kJ

de calor al quemar una tonelada de carbn). Si la planta IGCC ha de

recuperar su diferencia de costo por ahorros en combustible en cinco aos,

determine cul debe ser el precio de carbn en US $ por tonelada.


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4) Repita el problema para el periodo de recuperacion simple de 3 aos en

vez de 5 aos


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5) Una planta elctrica de carbn produce una potencia neta de 300 MW con

una eficiencia trmica total de 32 por ciento. La relacin real gravimtrica

aire-combustible en el horno se calcula que es 12 kg aire/kg de

combustible. El poder calorfico del carbn es 28,000 kJ/kg. Determine a) la

cantidad de carbn que se consume durante un periodo de 24 horas y b) la

tasa de aire que fluye a travs del horno


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REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR

Refrigerador

Un refrigerador es un dispositivo que extrae calor de un foco que est ms fro que

el ambiente (como el interior de un frigorfico, a 5C) y lo vierte en el ambiente (a22C, por ejemplo). Para funcionar, un refrigerador requiere un trabajo adicional

Win, que aumenta el calor de desecho Qout que se entrega al ambiente

Un frigorfico o un aparato de aire acondicionado son ejemplos de refrigeradores.

En su uso habitual, lo que hacen los refrigeradores y aparatos de aire

acondicionado es principalmente, mantener constante la temperatura del interior

de una cmara o habitacin, expulsado de forma continua el calor que va entrando

por las paredes (aparte, si se introduce un objeto caliente en un frigorfico, ste se

encarga de bajar la temperatura del objeto, consumiendo un trabajo adicional).

El ciclo simple de refrigeracin por compresin del vapor consta de cuatro elementos:

Diagrama esquemtico de

un refri erador

Diagrama esquemtico de

un refri erador im osible.


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1. Evaporador: absorbe calor a baja temperatura haciendo hervir un lquido a baja

presin. El evaporador absorbe calor del lugar que se quiere mantener a baja

temperatura (foco fro).

2. Compresor: aumenta la presin del vapor, consume energa mecnica.

3. Condensador: desprende calor a sus alrededores cuando se condensa el vapor

a alta presin.

4. Reductor de presin (vlvula): la alta presin del lquido formado en el

condensador Debe reducirse antes de que el mismo sea devuelto al evaporador.

BOMBA DE CALOR

Una bomba de calor es un dispositivo mecnico que transporta energa trmica de

una regin a baja temperatura a una regin a temperatura mayor.

La figura es una representacin esquemtica de una bomba de calor. La

temperatura exterior es Tf

y la energa trmica absorbida por el fluido circulante es

Qf. La bomba de calor realiza un trabajo W sobre el fluido, y la energa trmica

transferida de la bomba de calor hacia el interior del edificio es Qc.


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1) Un refrigerador domstico con un COP de 1.2 quita calor del espacio

refrigerado a una tasa de 60 kJ/min. Determine a) la potencia elctrica que

consume el refrigerador y b) la tasa de transferencia de calor al aire de la

cocina.


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2) Una bomba de calor comercial quita 10,000 Btu/h de la fuente de calor,

rechaza 15,090 Btu/h al sumidero trmico y necesita 2 hp de potencia.

Cul es el coeficiente de desempeo de la bomba de calor?

3) Entra agua a una mquina de hielo a 55F, y sale como hielo a 25F. Si el

COP de la mquina de hielo es 2.4 en esta operacin, determine el

suministro necesario de potencia para una tasa de produccin de hielo de

28 lbm/h (se nece-sita quitar 169 Btu de energa de cada lbm de agua a 55F para convertirla en hielo a 25 F)


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4) Un refrigerador domstico que tiene una entrada de potencia de 450 W y un

COP de 2.5 debe enfriar cuatro sandas grandes, de 10 kg cada una, a 8

C. Si las sandas estn inicialmente a 20 C, determine cunto tardar el

refrigerador en enfriarlas. Las sandas se pueden tratar como agua, cuyo

calor especfico es 4.2 kJ/kg C. Su respuesta es realista u optimista?


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5) En el condensador de una bomba de calor residencial entra refrigerante 134a a

800 kPa y 35 C, a razn de 0.018 kg/s, y sale como lquido saturado a 800 kPa. Si el

compresor consume 1.2 kW de potencia, determine a) el COP de la bomba de calor

y b) la tasa de absorcin de calor del aire exterior.

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