clase 02 energía

TERMODINÁMICAClase 02: Energía

PANTOJA-GUERRERO, R.A.

Marzo 1 de 2013

PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 1 / 28

Contexto La energía a nivel mundial

Contexto Mundial

Fuente: International Energy Agency (2012)

La energía es fundamental para todas las actividades humanas, a nivelmundial se obtiene de diversas fuentesPANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 2 / 28

Contexto Energía en Colombia

Colombia

Fuente: Unidad de Planeación Minero-energética en Colombia UPME (2012)

En Colombia, la energía eléctrica principalmente se obtiene a partir de lashidroeléctricas


Contexto Fuentes de la energía

Fuentes de energía

Fuente: http://www.earthlyissues.com/renew.htm

Según la fuente, la energía puede clasificarse como renovable o norenovable.PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 4 / 28

Contexto Fuentes de la energía

Tipos de energía

Fuente: http://alessiobernardelli.wordpress.com/2011/05/12/i-really-want-a-free-copy-of-imindmap-5-ultimate/

La energía se presenta en múltiples formas según sea usada


Unidades de la energía y potencia Unidades de la energía en SI y USCS

Unidades de la Energía

Fuente: http://www.vfundude.com/2012/06/what-is-work-physics-and-definition-of-work/

Work = cosθ−→F .s

Unidades de energía del sistema internacional1 J=1N.m=1kgm

s2


Unidades de la energía y potencia Unidades de la energía en SI y USCS

Unidades del sistema Inglés

Unidades de USCS y otras

1lb fts2 .ft = 1lbf .ft

1 BTU = 778.169 lbf .ft1 BTU = 252 cal1 cal = 4.1868 J

1 BTU = 1055.055056 J


Unidades de la energía y potencia Potencia

La potencia

Fuente: http://auto.howstuffworks.com/horsepower.htm

DefiniciónLa potencia se define como la velocidad a la que se transforma la energía

Potencia=Energ«ıaTiempo

1W=1Js 1HP = 550 lbf .

fts

1 HP = 745.7 W 1kW.h = 1kJs x3600s = 3600kJ


Energía potencial y energía cinética Energía potencial

Energía potencial

Definición

Ep = mgz ep = gz

Tanto la energía cinética como la energía potencial dependen del estadoinicial y final (Son propiedades de estado)

4Ep = EpFinal − EPInicial


Energía potencial y energía cinética Energía cinética

Energía cinética

Definición

Ep = m−→V 2

2ep =

−→V 2

2

1m2

s2 = 1kg .m2

kg .s2 = 1 kgm2

s21kg

= 1Jkg


La energía en forma de trabajo Definición de trabajo

Definición del trabajo

El trabajo NO es función de estado, depende de la trayectoriatermodinámica

δW =−→F .dx W1 2 =

ˆδW

La potencia está definida como

W =δWdt


La energía en forma de trabajo El trabajo de eje o de torque

Trabajo de torque

El torque es el trabajo que se transfiere por el uso de un eje.Wτ = (2π_τ)t _Wτ = 2π_Nτ


La energía en forma de trabajo El trabajo eléctrico

Trabajo eléctrico

El amperaje y el voltaje se multiplican para calcular la potencia transferidapor un dispositivo eléctrico o electrónicoWEE = (IV)t _WEE = IV1W = 1 V.A.


La energía en forma de trabajo El trabajo de expansión y compresión

Trabajo de expansión y compresión

El trabajo de expansión y compresión sucede muchas veces en los motores decombustión interna y es básico para entender otros fenómenos fisicoquímicos.Durante la transferencia de trabajo, el volumen del sistema cambia. Tambiénpuede cambiar la presión o la temperatura.



Ecuación básica para el trabajo de expansión

δW = −−→F dx

δW = −−→F dx A

A = −−→FA A.dx

δW = −P.A.dx = −P.dV



Trabajo de un proceso isobárico

Cuando la presión es constante...

δW = −P.dV P = cte.

ˆδW = −

ˆP.dV = −P

ˆdV

−Pˆ

dV = −P4V

ˆδW = −P4V

W1 2 = −P4V

4V = V2 − V1



Trabajo de un proceso isotérmico

Cuando el producto PV es constante...

δW = −P.dV PV = k P = k/V

ˆδW = −

ˆkV.dV = −k

ˆdVV

−kˆ

dVV

= −k .ln(

V2

V1

)ˆδW = −k .ln

(V2

V1

)

W1 2 = −k .ln(

V2

V1

)k = P1V1 = P2V2



Trabajo de un proceso politrópico

Para un proceso politrópico...

δW = −P.dV PV n = k P = k .V−n

Donde n es una constante...la constante de un proceso politrópicoˆδW = −

ˆPdV = −

ˆk .V−ndV

−kˆ

V−ndV = −kV−n+1

2 − V−n+11

−n + 1



Continuación...Trabajo politrópico

Continuación...Como PV n = k y k = P1V n

1 = P2V n2

−kV−n+1

2 − V−n+11

−n + 1=

(P2V n2 )(V

−n+12 )− (P1V n

1 )(V−n+11 )

1− n

ˆδW = −

ˆPdV = W1 2 =

(P2V2)− (P1V1)

1− n

W1 2 =(P2V2)− (P1V1)

1− n



Unidades del producto PV

Muy importante!!!!!!!

PV [=]1 Pa.m3 = 1Nm2 m3 = 1N.m = 1J

Si se usa el volumen específico...Pv [=]1 Pa.m

3

kg = 1 Jkg

Si se usa el volumen molarPV [=]1 Pa. m3

kgmol = 1 Jkgmol

En USCS??1 psia.ft3 ????? BTU????? Joul?????

Y ESTAS CONVERSIONES SE USAN EN TODAS LAS ECUACIONESPRECEDENTES!!!!!!!!


El Calor Definición de calor

El calor

Y entonces ¿Cual es la conclusión aquí?Para que el calor pueda transferirse se requiere que exista una diferencia detemperaturas a lo largo del espacio de transferencia.PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 21 / 28

El Calor Mecanismos de transferencia de calor

Los mecanismos de la transferencia de calor

Mecanismos de tranferencia de calor

CONDUCCIÓN: A través de un sólido, liquido o gas SIN movimiento netomolecularCONVECCIÓN: A través de un líquido o gas CON movimiento netoRADIACIÓN: Es un fenómeno de ondas en el que no se requiere la materia


El Calor Diagramas PV, trabajo y calor...

Diagramas PV

El trabajo y el calor son funciones de trayectoriaDependen del proceso termodinámico, de la forma de la ruta. NOdependen de los estados inicial y final

ˆδW = W1 2

ˆδQ = Q1 2


Energía interna y entalpía. La energía interna U

Energía Interna

La energía interna: Propiedad termodinámica

Es una propiedad de las sustancias purasEs la energía propia de las sustancias y contabiliza, internamente,varias formas de energía...Es la suma de energía intrínseca y extrínseca

Extrínseca como la energía cinética de rotación y traslación de lasmoléculas respecto a un eje coordenadoIntrínseca como la energía de los átomos, los enlaces, el núcleo,electrostática, magnética


Energía interna y entalpía. La energía interna U

Energía interna (Continuación...)

La energía interna U

Algunas de estas se pueden medir directamento y otras no son de fácilmedidaTodas estas energías se suman en una sola propiedad LA ENERGÍAINTERNA UEs útil en el balance de energía de sistemas cerrados...ˆ

dU = 4U = U2 − U1

U[=]kJ u[=]kJkg

U[=]kJ

kgmol


Energía interna y entalpía. La entalpía H

La entalpía

La entalpía

Es una propiedad termodinámica bastante útil que está definida enfunción de la energía interna, la presión y el volumenTambién es una propiedad de estado

H ≡ U + PVˆdH = 4H = H2 − H1

h ≡ u + Pv H ≡ U + PV

Es una propiedad múy útil para evaluar sistemas abiertos (Donde haytransporte de materia)


Labores de estudio independiente Lecturas obligatorias

Lecturas obligatorias

Incluir en la lectura la solución de los ejercicios de ejemplo.1 Cengel, Y. A., & Boles, M. A. (2006). Thermodynamics: an

engineering approach. McGraw-Hill Higher Education.

Sección 2.1 hasta la Sección 2.6

2 Wark, K., & Richards, D. E. (2001). Termodinámica. McGraw-Hill.

Capítulo 2, con especial énfasis en el capítulo 2.6


Labores de estudio independiente Ejercicios propuestos

Ejercicios propuestos

Incluir en la lectura la solución de los ejercicios de ejemplo.1 Cengel, Y. A., & Boles, M. A. (2006). Thermodynamics: an

engineering approach. McGraw-Hill Higher Education.

Ejercicios del 2.8 al 2.14Ejercicios del 2.43 al 2.50Ejercicios del 2.69 al 2.74

2 Wark, K., & Richards, D. E. (2001). Termodinámica. McGraw-Hill.

Ejercicio del 2.13 al 2.21IEjercicios del 2.39 a 2.65

Las respuestas a algunos de los ejercicios planteados están en el apéndicerespectivo (WARK) o incluso están en el enunciado planteado (WARK)


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