cap 3(energ trab calor)

CAPITULO 3CAPITULO 3RELACIONES DE ENERGÍA, RELACIONES DE ENERGÍA,

TRABAJO Y CALORTRABAJO Y CALOR

3.1. INTRODUCCIÓN3.1. INTRODUCCIÓNEn la Física se analizan formas de energía como la En la Física se analizan formas de energía como la

potencial gravitatoria y la cinética, así como otras potencial gravitatoria y la cinética, así como otras formas de energía asociadas a los campos formas de energía asociadas a los campos eléctricos y magnético. El estudio de la energía eléctricos y magnético. El estudio de la energía asociada a las fuerzas de enlace atómicas y asociada a las fuerzas de enlace atómicas y nucleares tiene una gran importancia para el nucleares tiene una gran importancia para el químico.químico.

El estudio de los principios de la termodinámica El estudio de los principios de la termodinámica permite relacionar los cambios de estas y otras permite relacionar los cambios de estas y otras formas de energía dentro de un sistema con las formas de energía dentro de un sistema con las interacciones energéticas en las fronteras de un interacciones energéticas en las fronteras de un sistema.sistema.

3.2. NATURALEZA DE LA ENERGÍA 3.2. NATURALEZA DE LA ENERGÍA ENERGIAENERGIA

La energía puede existir en varias formas: térmica, La energía puede existir en varias formas: térmica, mecánica, cinética, potencial, eléctrica, química mecánica, cinética, potencial, eléctrica, química y nuclear, cuya suma conforma la energía total y nuclear, cuya suma conforma la energía total EE de un sistema. de un sistema.

FORMAS DE ENERGÍA Todos los tipos de energía Todos los tipos de energía EE pueden clasificarse pueden clasificarse

o como energía cinética (o como energía cinética (EcEc) debido al ) debido al movimiento de un cuerpo, o bien como energía movimiento de un cuerpo, o bien como energía potencial (potencial (EpEp) debida a la posición de un ) debida a la posición de un cuerpo relativa a un campo de fuerzas de otros cuerpo relativa a un campo de fuerzas de otros cuerpos.cuerpos.

Además los tipos de energía pueden clasificarse Además los tipos de energía pueden clasificarse o en extrínsecos (ext) o en intrínsecos (int).o en extrínsecos (ext) o en intrínsecos (int).

De la física clásica puede demostrarse que la De la física clásica puede demostrarse que la energía cinética total de un sistema de partículas energía cinética total de un sistema de partículas puede expresarse como suma de tres términos.puede expresarse como suma de tres términos.

intintEp

extEpEc

extEctotal EEEEE

microEcmacro

extrotEc

exttrasEctotalEc EEEE int

,,,

La energía potencial total de un sistema puede La energía potencial total de un sistema puede expresarse como suma de cuatro cantidades expresarse como suma de cuatro cantidades separadas.separadas.

Las energías electrostáticas, magnetostática y Las energías electrostáticas, magnetostática y macroscópica rotacional, no se consideran en macroscópica rotacional, no se consideran en este capítulo. Despreciando estos términos la este capítulo. Despreciando estos términos la ecuación es:ecuación es:

microEpmacro

extmagEp

extelecEp

extgravEptotalEp EEEEE int

,,,,

microEpEcmacro

extgravEp

exttrasEc EEEEE intint

,,

Los dos últimos términos anteriores no se pueden medir Los dos últimos términos anteriores no se pueden medir directamente.directamente.

La suma de estas dos contribuciones microscópicas a la La suma de estas dos contribuciones microscópicas a la energía se define como energía se define como energía interna Uenergía interna U de la sustancia de la sustancia del sistema.del sistema.

La función de energía interna, como se ha definido por la La función de energía interna, como se ha definido por la ecuación anterior, es una propiedad extensiva, intrínseca ecuación anterior, es una propiedad extensiva, intrínseca de una sustancia en estado de equilibrio. En ausencia de de una sustancia en estado de equilibrio. En ausencia de cambios de fase, reacciones químicas y reacciones cambios de fase, reacciones químicas y reacciones nucleares, la energía interna U se denomina a veces nucleares, la energía interna U se denomina a veces energía sensible del sistema.energía sensible del sistema.

microEpEc EEU intint

Tomando como base el estudio anterior la Tomando como base el estudio anterior la ecuación de la energía total de un sistema se ecuación de la energía total de un sistema se convierte en:convierte en:

3.3 MEDICIÓN DE LA ENERGÍA3.3 MEDICIÓN DE LA ENERGÍA

No se acostumbra medir la energía de un No se acostumbra medir la energía de un cuerpo o sistema, pero sí la variación de cuerpo o sistema, pero sí la variación de energía que se experimenta en un cuerpo energía que se experimenta en un cuerpo o sistema, ya que es más fácil determinar o sistema, ya que es más fácil determinar estas variaciones de energía que pueden estas variaciones de energía que pueden experimentar cuerpos o sistemas y se los experimentar cuerpos o sistemas y se los hace dicha medida con referencias hace dicha medida con referencias arbitrarias.arbitrarias.

3.3 MEDICIÓN DE LA ENERGÍA3.3 MEDICIÓN DE LA ENERGÍADe acuerdo a la ley de la relatividad de Albert De acuerdo a la ley de la relatividad de Albert

Einstein, la masa puede convertirse en energía Einstein, la masa puede convertirse en energía y la energía en masa de acuerdo a la famosa y la energía en masa de acuerdo a la famosa ecuación: ecuación:

E = m cE = m c22

C; es laC; es la velocidad de la luzvelocidad de la luzC = 3x10C = 3x1088 m/s m/s

Basándose en la teoría general de la relatividad, Basándose en la teoría general de la relatividad, Einstein pudo entender las variaciones hasta Einstein pudo entender las variaciones hasta entonces inexplicables en el movimiento de entonces inexplicables en el movimiento de rotación de los planetas, y logró predecir la rotación de los planetas, y logró predecir la inclinación o desviación que sufre la luz de las inclinación o desviación que sufre la luz de las estrellas al aproximarse a cuerpos como el Sol. estrellas al aproximarse a cuerpos como el Sol.

3.3 MEDICIÓN DE LA ENERGÍA3.3 MEDICIÓN DE LA ENERGÍA

La unidad de energía que se usó en el pasado y que La unidad de energía que se usó en el pasado y que actualmente se usa en forma de calor es Caloría o actualmente se usa en forma de calor es Caloría o kilocaloría y para la energía en forma de trabajo se kilocaloría y para la energía en forma de trabajo se usaba el kilopondio-metro [kp.m] en el sistema usaba el kilopondio-metro [kp.m] en el sistema técnico. En el sistema internacional de unidades técnico. En el sistema internacional de unidades como unidad de energía se utiliza el Julio, kilojulio, como unidad de energía se utiliza el Julio, kilojulio, para todas las formas de energía y en casos para todas las formas de energía y en casos especiales en kWh (unidad derivada de la energía) especiales en kWh (unidad derivada de la energía)

El BTU es una unidad de energía en forma de calor El BTU es una unidad de energía en forma de calor en el sistema Ingles y se define la cantidad de calor en el sistema Ingles y se define la cantidad de calor que se suministra a una libra de agua para elevar su que se suministra a una libra de agua para elevar su temperatura 1º Ftemperatura 1º F..

1 BTU = 0,252 Kcal1 BTU = 0,252 Kcal

1 Kcal = 4,186 KJ1 Kcal = 4,186 KJ

1 kWh = 3600 kJ1 kWh = 3600 kJ

3.3.1. ENERGÍA POTENCIAL GRAVITACIONAL3.3.1. ENERGÍA POTENCIAL GRAVITACIONAL

Es el trabajo que se efectúa en el campo Es el trabajo que se efectúa en el campo gravitacional en dirección de la fuerza de gravitacional en dirección de la fuerza de atracción gravitacional, con referencia a niveles atracción gravitacional, con referencia a niveles arbitrarios.arbitrarios.

3.3.1.ENERGÍA POTENCIAL GRAVITACIONAL3.3.1.ENERGÍA POTENCIAL GRAVITACIONAL

Ejemplo si se eleva un Ejemplo si se eleva un objeto cuyo peso es objeto cuyo peso es de 98 N, hasta una de 98 N, hasta una altura de 10 metros, altura de 10 metros, la capacidad de la capacidad de trabajo posible será trabajo posible será de 980 Julios.de 980 Julios.

2

1

2

1dzmgdEp

zmgEp

3.3.2. ENERGÍA CINÉTICA3.3.2. ENERGÍA CINÉTICA

Un cuerpo de masa “m” Un cuerpo de masa “m” tiene energía cinética tiene energía cinética cuando está sometida a cuando está sometida a una fuerza que la una fuerza que la desplaza con una cierta desplaza con una cierta velocidad, por lo tanto velocidad, por lo tanto podemos decir que esta podemos decir que esta energía cinética de dicho energía cinética de dicho cuerpo es el trabajo para cuerpo es el trabajo para que adquiera cierta que adquiera cierta velocidad.velocidad.

2

1

2

1dvvmdEc

][2

2

kJvm

Ec

3.4 ENERGIA INTERNA. [U];(u)3.4 ENERGIA INTERNA. [U];(u)La energía interna de un cuerpo o sistema La energía interna de un cuerpo o sistema (fluido de trabajo) se debe a su actividad interna (fluido de trabajo) se debe a su actividad interna atómica o molecular, es decir, la energía interna atómica o molecular, es decir, la energía interna de un cuerpo variará si dicho cuerpo se le de un cuerpo variará si dicho cuerpo se le comunica o extrae por ejemplo calor y trabajo, comunica o extrae por ejemplo calor y trabajo, debido a esto puede producirse un debido a esto puede producirse un acercamiento o alejamiento entre átomos o acercamiento o alejamiento entre átomos o moléculas, lo que se traduciría en una energía moléculas, lo que se traduciría en una energía potencial interna. También puede producirse al potencial interna. También puede producirse al comunicar o extraer energía movimiento en los comunicar o extraer energía movimiento en los átomos o moléculas, movimiento de traslación, átomos o moléculas, movimiento de traslación, rotación, o vibratorio traduciéndose en este caso rotación, o vibratorio traduciéndose en este caso en energía cinética interna.en energía cinética interna.

3.4 ENERGIA INTERNA. [U];(u)3.4 ENERGIA INTERNA. [U];(u)

Ejemplos de aplicaciónEjemplos de aplicación

a) Si añadimos calor a un cuerpo en estado sólido a) Si añadimos calor a un cuerpo en estado sólido o líquido, el aumento de volumen es o líquido, el aumento de volumen es generalmente imperceptible, en particular generalmente imperceptible, en particular tratándose de cantidades razonables pequeñas, tratándose de cantidades razonables pequeñas, y por tanto el trabajo producido puede y por tanto el trabajo producido puede considerarse nulo. Nada queda tampoco en considerarse nulo. Nada queda tampoco en forma de energía potencial, por tanto toda la forma de energía potencial, por tanto toda la energía térmica se transforma en un aumento energía térmica se transforma en un aumento de la energía cinética de las moléculas.de la energía cinética de las moléculas.

3.4 ENERGIA INTERNA. [U];(u)3.4 ENERGIA INTERNA. [U];(u)

b) Cuando un sólido pasa a fase líquida, b) Cuando un sólido pasa a fase líquida, podemos decir también que podemos decir también que generalmente las variaciones de volumen generalmente las variaciones de volumen son despreciables y además no se aprecia son despreciables y además no se aprecia variación de temperatura que pueda variación de temperatura que pueda indicarnos un aumento de la energía indicarnos un aumento de la energía cinética de las moléculas. Tendremos aquí cinética de las moléculas. Tendremos aquí por tanto un incremento de energía por tanto un incremento de energía potencial.potencial.

EjemploEjemplo

Un recipiente rígido contiene un fluido Un recipiente rígido contiene un fluido caliente mientras se agita por una rueda caliente mientras se agita por una rueda de paletas. Al inicio la energía interna del de paletas. Al inicio la energía interna del fluido es de 800 kJ de calor, pero durante fluido es de 800 kJ de calor, pero durante el proceso de enfriamiento pierde 500 kJ, el proceso de enfriamiento pierde 500 kJ, por su parte la rueda produce 100 kJ de por su parte la rueda produce 100 kJ de trabajo sobre el fluido. Determine la trabajo sobre el fluido. Determine la energía interna final del fluido e ignore la energía interna final del fluido e ignore la energía almacenada en la rueda de energía almacenada en la rueda de paletas.paletas.

SoluciónSoluciónConsidere el contenido Considere el contenido

del recipiente como el del recipiente como el sistema cerrado sistema cerrado puesto que ninguna puesto que ninguna masa cruza sus masa cruza sus fronteras durante el fronteras durante el proceso.proceso.

Aplicando el balance de Aplicando el balance de energía sobre el energía sobre el sistema se obtiene:sistema se obtiene:

sistemasalidaentrada EEE

12 UUUQW salidaentrada

kJU

kJUkJkJ

400

800500100

2

2

3.5 TRABAJO3.5 TRABAJO

Se efectúa trabajo sobre un cuerpo Se efectúa trabajo sobre un cuerpo cuando se lo desplaza una cierta distancia cuando se lo desplaza una cierta distancia por efecto de una fuerza. También efectúa por efecto de una fuerza. También efectúa trabajo el cuerpo cuando al desplazarse trabajo el cuerpo cuando al desplazarse origina un empuje sobre otro sistema origina un empuje sobre otro sistema móvil desplazándola (trabajo de un móvil desplazándola (trabajo de un sistema con frontera móvil)sistema con frontera móvil)


En las máquinas alternativas se En las máquinas alternativas se conocen tres clases de trabajo; conocen tres clases de trabajo; Trabajo ideal, trabajo indicado y Trabajo ideal, trabajo indicado y trabajo al freno (llamado también trabajo al freno (llamado también efectivo, útil, en el eje).efectivo, útil, en el eje).

El trabajo ideal es el que efectúa el El trabajo ideal es el que efectúa el fluido operante o sistema en el fluido operante o sistema en el interior del cilindro sin tomar en interior del cilindro sin tomar en cuenta las pérdidas y puede cuenta las pérdidas y puede calcularse.calcularse.

El trabajo indicado es el trabajo que El trabajo indicado es el trabajo que efectúa el fluido de trabajo en el efectúa el fluido de trabajo en el interior del sistema tomando en interior del sistema tomando en cuenta las pérdidas.cuenta las pérdidas.


El trabajo para el freno o trabajo efectivo, El trabajo para el freno o trabajo efectivo, útil o en el eje es el trabajo medido útil o en el eje es el trabajo medido precisamente en el eje de salida del precisamente en el eje de salida del motor.motor.

W = Trabajo ideal (calculable)W = Trabajo ideal (calculable)

WWii = Trabajo indicado (medible) = Trabajo indicado (medible)

WWBB = Trabajo al freno (medido a la salida del = Trabajo al freno (medido a la salida del

motor) motor)

3.5.1 TRABAJO DE EXPANSIÓN Y COMPRESIÓN3.5.1 TRABAJO DE EXPANSIÓN Y COMPRESIÓN

3.6 Trabajo de un sistema con frontera móvil3.6 Trabajo de un sistema con frontera móvil

Si consideramos un gas como fluido operante, Si consideramos un gas como fluido operante, de modo que este se encuentra inicialmente de modo que este se encuentra inicialmente comprimido, luego al expandirse efectúe trabajo comprimido, luego al expandirse efectúe trabajo de acuerdo a la figura anterior.de acuerdo a la figura anterior.

Cuando se efectúa trabajo al desplazarse el Cuando se efectúa trabajo al desplazarse el pistón también se va desplazando la frontera del pistón también se va desplazando la frontera del fluido operante o sistema desde el estado 1 fluido operante o sistema desde el estado 1 hasta el estado 2, pudiendo graficarse esta hasta el estado 2, pudiendo graficarse esta variación de estado que experimenta el fluido variación de estado que experimenta el fluido operante.operante.

3.7 Potencia3.7 PotenciaLa velocidad a la que se realiza trabajo sobre o por el La velocidad a la que se realiza trabajo sobre o por el

sistema se define como la sistema se define como la PotenciaPotencia. En función de la . En función de la potencia, el trabajo diferencial puede escribirse como.potencia, el trabajo diferencial puede escribirse como.

La potencia mecánica suministrada a un sistema por una La potencia mecánica suministrada a un sistema por una fuerza exterior se define como el producto escalar del fuerza exterior se define como el producto escalar del vector fuerza exterior por el vector velocidad.vector fuerza exterior por el vector velocidad.

En cálculos de ingeniería con frecuencia se utiliza como En cálculos de ingeniería con frecuencia se utiliza como unidad básica el vatio o también el kilovatio (kW)unidad básica el vatio o también el kilovatio (kW)

δδ; símbolo para un incremento infinitesimal de una función; símbolo para un incremento infinitesimal de una función

dtWW

)(cosVFVFW extextmec

3.8 Calor3.8 Calor

ANTECEDENTES HISTÓRICOSANTECEDENTES HISTÓRICOSEl calor siempre se percibió como algo que El calor siempre se percibió como algo que

produce una sensación de calidez, por que se produce una sensación de calidez, por que se podría pensar que su naturaleza fue una de las podría pensar que su naturaleza fue una de las primeras cosas que la humanidad entendió.primeras cosas que la humanidad entendió.

A mediados del siglo XIX se llegó a una verdadera A mediados del siglo XIX se llegó a una verdadera comprensión física sobre la naturaleza del calor, comprensión física sobre la naturaleza del calor, gracias al desarrollo en ese tiempo de la gracias al desarrollo en ese tiempo de la teoría teoría cinética cinética la cual considera a las moléculas como la cual considera a las moléculas como diminutas esferas que se encuentran en diminutas esferas que se encuentran en movimiento y que por lo tanto poseen energía movimiento y que por lo tanto poseen energía cinética.cinética.

3.8 Calor3.8 Calor

Los experimentos del Ingles James P. Joule Los experimentos del Ingles James P. Joule (1818-1889) publicados en l843 son los (1818-1889) publicados en l843 son los que finalmente convencieron a los que finalmente convencieron a los escépticos de que el calor no era una escépticos de que el calor no era una sustancia, así que se desechó la teoría del sustancia, así que se desechó la teoría del calórico, esta teoría contribuyó en gran calórico, esta teoría contribuyó en gran medida al desarrollo de la termodinámica medida al desarrollo de la termodinámica y la transferencia de calor.y la transferencia de calor.

3.8 Calor3.8 Calor

El calor se puede transferir de tres formas distintas: El calor se puede transferir de tres formas distintas: conducción, convección y radiación.conducción, convección y radiación.

3.8.1 Transferencia de calor por conducción3.8.1 Transferencia de calor por conducciónLa conducciónLa conducción es la transferencia de energía de las es la transferencia de energía de las

partículas más energéticas de una sustancia hacia las partículas más energéticas de una sustancia hacia las adyacentes menos energéticas como resultado de sus adyacentes menos energéticas como resultado de sus interacciones. La conducción puede ocurrir en sólidos, interacciones. La conducción puede ocurrir en sólidos, líquidos o gases; en estos dos últimos la conducción se líquidos o gases; en estos dos últimos la conducción se debe a las colisiones de las moléculas durante su debe a las colisiones de las moléculas durante su movimiento aleatorio mientras que en los sólidos se movimiento aleatorio mientras que en los sólidos se debe a la combinación de la vibración de las moléculas debe a la combinación de la vibración de las moléculas en una red y el transporte de energía mediante en una red y el transporte de energía mediante electrones libres.electrones libres.

La ecuación por conducción del La ecuación por conducción del calor es:calor es:

Que se conoce como ley de Que se conoce como ley de Fourier de conducción de Fourier de conducción de calor. El calor es conducido calor. El calor es conducido en la dirección de la en la dirección de la temperatura decreciente, y temperatura decreciente, y el gradiente de el gradiente de temperatura se vuelve temperatura se vuelve negativo cuando la negativo cuando la temperatura disminuye con temperatura disminuye con x creciente.x creciente.

][Wdx

dTAkQ

3.8.2 Transferencia de calor por convección3.8.2 Transferencia de calor por convección

La La convecciónconvección es el modo de transferencia es el modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y de energía entre una superficie sólida y líquido o gas adyacente que está en líquido o gas adyacente que está en movimiento, y tiene que ver con los efectos movimiento, y tiene que ver con los efectos combinados de conducción y movimiento combinados de conducción y movimiento del fluido: mientras más rápido sea éste del fluido: mientras más rápido sea éste mayor es la transferencia de calor por mayor es la transferencia de calor por convección.convección.

W][)( ambsconv TTAhQ

Enfriamiento de un huevo hervido por Enfriamiento de un huevo hervido por convección forzadaconvección forzada

3.8.3 Transferencia de calor por radiación3.8.3 Transferencia de calor por radiación

RadiaciónRadiación es la energía que emite la materia en la es la energía que emite la materia en la forma de ondas electromagnéticas (o fotones) forma de ondas electromagnéticas (o fotones) como resultados de cambios en las como resultados de cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas. A diferencia de la conducción y la moléculas. A diferencia de la conducción y la convección, la transferencia de energía por convección, la transferencia de energía por radiación no requiere la presencia de un medio. radiación no requiere la presencia de un medio. De hecho, este tipo de transferencia es la más De hecho, este tipo de transferencia es la más rápida, las ondas electromagnéticas viajan a la rápida, las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz (c=3x10velocidad de la luz (c=3x1088 m/s) y no m/s) y no experimenta ninguna atenuación en un vacío.experimenta ninguna atenuación en un vacío.

3.8.3 Transferencia de calor por radiación3.8.3 Transferencia de calor por radiación

Las energías radiantes Las energías radiantes podemos mencionar:podemos mencionar:

- Los rayos cósmicosLos rayos cósmicos- Rayos xRayos x- Rayos gamaRayos gama- Rayos ultravioletaRayos ultravioleta- La luz visibleLa luz visible- Rayos infrarrojosRayos infrarrojos- Ondas de radioOndas de radio

W][)( 44recs TTAQ

Boltzmann -Stefan de ]constanteK[W/m 105.67x

superficie la de emisividad;4 28-

3.9 Calor generado por la combustión3.9 Calor generado por la combustiónLa combustión es la La combustión es la

reacción química reacción química violenta de dos violenta de dos cuerpos el comburente cuerpos el comburente (oxígeno) y el (oxígeno) y el combustible que se combustible que se produce con gran produce con gran desprendimiento de desprendimiento de calor. calor.

Químicamente definimos Químicamente definimos como una oxidación como una oxidación instantánea del instantánea del combustible frente al combustible frente al contacto del oxígeno.contacto del oxígeno.

3.9 Calor generado por la combustión3.9 Calor generado por la combustiónLos tres elementos activos mas importantes en los Los tres elementos activos mas importantes en los

combustibles habituales son el carbono, el hidrógeno y el combustibles habituales son el carbono, el hidrógeno y el azufre. En este capítulo tratamos con las reacciones de azufre. En este capítulo tratamos con las reacciones de combustión expresadas por las ecuaciones químicas de la combustión expresadas por las ecuaciones químicas de la forma;forma;

Combustible + comburente -----------Combustible + comburente -----------> > productosproductos

Considérese un ejemplo sencillo la combustión completa del Considérese un ejemplo sencillo la combustión completa del hidrógeno con el oxígeno.hidrógeno con el oxígeno.

CALOR 1 CALOR 1 >> CALOR 2 CALOR 2 > > CALOR 3CALOR 3

1 CALOROHOH 22

2 CALORCOOC 22

3 CALORCOOC 2

3.9.1 Combustible3.9.1 Combustible

Es simplemente una sustancia susceptible a Es simplemente una sustancia susceptible a ser quemada. En este capítulo se hace ser quemada. En este capítulo se hace énfasis en los hidrocarburos, que énfasis en los hidrocarburos, que contienen carbono hidrógeno. Pueden contienen carbono hidrógeno. Pueden contener también azufre y otros elementos contener también azufre y otros elementos químicos. Estos combustibles pueden químicos. Estos combustibles pueden existir en estado sólido, líquido y gaseoso.existir en estado sólido, líquido y gaseoso.

Combustión

3.9.2 Aire de combustión3.9.2 Aire de combustiónEl oxígeno es necesario en toda reacción de El oxígeno es necesario en toda reacción de

combustión. El oxígeno puro se utiliza combustión. El oxígeno puro se utiliza solamente en aplicaciones especiales como el solamente en aplicaciones especiales como el corte y la soldadura. En la mayoría de las corte y la soldadura. En la mayoría de las aplicaciones de la combustión es el aire el que aplicaciones de la combustión es el aire el que proporciona el oxígeno necesario. Se considera proporciona el oxígeno necesario. Se considera que el aire está compuestode un 21 % de que el aire está compuestode un 21 % de oxígeno y un 79 %de nitrógeno en base molar.oxígeno y un 79 %de nitrógeno en base molar.

Para los cálculos de combustión la masa Para los cálculos de combustión la masa molecular del aire se toma igual a 28,97 [kg molecular del aire se toma igual a 28,97 [kg aire/kmol aire].aire/kmol aire].

3.9.2 Aire de combustión3.9.2 Aire de combustión

Con esta idealización la relación molar entre Con esta idealización la relación molar entre nitrógeno y oxígeno es 0,79/0,21=3,76nitrógeno y oxígeno es 0,79/0,21=3,76

Por tanto cuando el aire suministra el oxigeno en Por tanto cuando el aire suministra el oxigeno en una reacción de combustión, cada mol de una reacción de combustión, cada mol de oxígeno va acompañado de 3.76 moles de oxígeno va acompañado de 3.76 moles de nitrógeno. El aire considerado aquí no tiene nitrógeno. El aire considerado aquí no tiene vapor de agua.vapor de agua.

Cuando el aire presente en la combustión es Cuando el aire presente en la combustión es húmedo, el vapor de agua presente hay que húmedo, el vapor de agua presente hay que considerarlo al escribir la ecuación de considerarlo al escribir la ecuación de combustión.combustión.


El nitrógeno como uno de los productos de la El nitrógeno como uno de los productos de la reacción se encuentra a la misma temperatura reacción se encuentra a la misma temperatura que los otros productos. Si alcanza una que los otros productos. Si alcanza una temperatura suficientemente alta, el nitrógeno temperatura suficientemente alta, el nitrógeno puede formar compuestos como el óxido nítricoy puede formar compuestos como el óxido nítricoy el dióxido de nitrógeno. Incluso simples trazas el dióxido de nitrógeno. Incluso simples trazas de óxidos de nitrógeno presentes en los gases de óxidos de nitrógeno presentes en los gases emitidos por los motores de combustión interna, emitidos por los motores de combustión interna, son una fuente de contaminación del aire.son una fuente de contaminación del aire.

Motor de combustión internaMotor de combustión interna


Dos parámetros frecuentemente utilizados para Dos parámetros frecuentemente utilizados para cuantificar las cantidades de combustible y de cuantificar las cantidades de combustible y de aire en un proceso particular de combustión son aire en un proceso particular de combustión son la relación de aire-combustible y su inversa la la relación de aire-combustible y su inversa la relación combustible-aire. relación combustible-aire.

ecombustibldekg

airedekg

ecombustibldemasa

airedemasar combaire /

Aplicación de la combustiónAplicación de la combustión

3.9.3 poder calorífico de los combustibles3.9.3 poder calorífico de los combustibles

El poder calorífico de un combustible es un El poder calorífico de un combustible es un número positivo igual a la magnitud de la número positivo igual a la magnitud de la entalpía de combustión, es decir, la entalpía de combustión, es decir, la cantidad de calor desarrollada en la cantidad de calor desarrollada en la combustión completa de 1 kg de combustión completa de 1 kg de combustible, se denomina también combustible, se denomina también potencia calorífica. Las unidades potencia calorífica. Las unidades empleadas son: cal/gr; Kcal/kg; kJ/kgempleadas son: cal/gr; Kcal/kg; kJ/kg

Si un combustible no tiene hidrógeno tiene Si un combustible no tiene hidrógeno tiene un solo valor de poder calorífico, pero si un solo valor de poder calorífico, pero si

tiene hidrógeno tendrá un rango de valores.tiene hidrógeno tendrá un rango de valores. Poder calorífico inferior de un combustiblePoder calorífico inferior de un combustible Poder calorífico superior de un combustiblePoder calorífico superior de un combustibleEl poder calorífico superior se puede obtener por la El poder calorífico superior se puede obtener por la

siguiente relación:siguiente relación:

Donde:Donde:QL= calor latente de vaporizaciónQL= calor latente de vaporizaciónQS = calor sensibleQS = calor sensibleX= título del vapor de aguaX= título del vapor de agua

SL QxQHuiHus 1

3.10 Eficiencia en la conversión de 3.10 Eficiencia en la conversión de energíaenergía

Eficiencia indica que tan bien se realiza un proceso Eficiencia indica que tan bien se realiza un proceso de conversión o transferencia de energía. Así de conversión o transferencia de energía. Así mismo, este término resulta uno de los que en mismo, este término resulta uno de los que en general son mal usados en termodinámica.general son mal usados en termodinámica.

El desempeño o eficiencia se expresa en términos El desempeño o eficiencia se expresa en términos de la salida deseada y la entrada requerida.de la salida deseada y la entrada requerida.

requeridasalida

deseadasalidaDesempeño

Eficiencia de un motor eléctrico y Eficiencia de un motor eléctrico y de una bombade una bomba

electrica

ejemecMOTOR W

W

ejemec

fluidomecBOMBA W

E

La preocupación por el hombre y su La preocupación por el hombre y su destino siempre debe ser el interés destino siempre debe ser el interés primordial de todo esfuerzo técnico.primordial de todo esfuerzo técnico.

Nunca olvides esto entre tus diagramas Nunca olvides esto entre tus diagramas y ecuaciones.y ecuaciones.

Albert EinsteinAlbert Einstein

G R A C I A SG R A C I A S

REPASOREPASO1. Los calentadores eléctricos portátiles se 1. Los calentadores eléctricos portátiles se

usan comunmente para calentar usan comunmente para calentar habitaciones pequeñas. Explique la habitaciones pequeñas. Explique la transferencia de energía que tiene lugar transferencia de energía que tiene lugar durante este proceso.durante este proceso.

2. ¿Cuál es la energía total? Identifica las 2. ¿Cuál es la energía total? Identifica las diversas formas de energía que la diversas formas de energía que la constituyen.constituyen.

3. ¿Qué es energía mecánica y cómo difiere 3. ¿Qué es energía mecánica y cómo difiere de la energía térmica?de la energía térmica?

REPASOREPASO4. Escriba que es Potencia calorífica.4. Escriba que es Potencia calorífica.

5.- ¿Por qué se considera la combustión de 5.- ¿Por qué se considera la combustión de hidrocarburos un aporte al calentamiento hidrocarburos un aporte al calentamiento global?global?

RESPUESTARESPUESTA

1. Los calentadores eléctricos portátiles se 1. Los calentadores eléctricos portátiles se usan comunmente para calentar usan comunmente para calentar habitaciones pequeñas. Explique la habitaciones pequeñas. Explique la transformación de energía que tiene lugar transformación de energía que tiene lugar durante este proceso.durante este proceso.

R.- La transferencia de calor se realiza R.- La transferencia de calor se realiza mediante convección a través del aire del mediante convección a través del aire del ambienteambiente

2. ¿Cuál es la energía total? Identifica las diversas 2. ¿Cuál es la energía total? Identifica las diversas formas de energía que la constituyen.formas de energía que la constituyen.

R.- Energía total es: la suma de la energía R.- Energía total es: la suma de la energía macroscópica y la energía microscópica, macroscópica y la energía microscópica, expresada por la fórmula:expresada por la fórmula:

3. ¿Qué es energía mecánica y cómo difiere de 3. ¿Qué es energía mecánica y cómo difiere de la energía térmica?la energía térmica?

R.- El conjunto de energía cinética traslacional R.- El conjunto de energía cinética traslacional y la energía gravitacional se llama energía y la energía gravitacional se llama energía mecánica, y es diferente de la térmica porque mecánica, y es diferente de la térmica porque es influencia directa de la temperatura. es influencia directa de la temperatura.

4. Escriba que es Potencia calorífica.4. Escriba que es Potencia calorífica.

R.- La potencia calirífica de un combustible es un R.- La potencia calirífica de un combustible es un número positivo igual a la magnitud de la número positivo igual a la magnitud de la entalpía de combustión, es decir, la cantidad de entalpía de combustión, es decir, la cantidad de calor desarrollada en la combustión completa de calor desarrollada en la combustión completa de 1 kg de combustible, 1 kg de combustible,

5.- ¿Por qué se considera la combustión de 5.- ¿Por qué se considera la combustión de hidrocarburos un aporte al calentamiento hidrocarburos un aporte al calentamiento global?global?

R.- Los productos de la combustión salen en R.- Los productos de la combustión salen en dióxido de carbono principalmente.dióxido de carbono principalmente.

cap 3(energ trab calor)

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