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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILEFACULTAD DE INGENIERA

Departamento de Ingeniera Mecnica

Prof. Ubaldo Zi a .

TERMODINAMICA -therme (calor) y dynamis (fuerza)-

Ciencia derivada de la Fsica que estudia las transformaciones de energa y lasformas en que sta se transfiere; en particular, calor y trabajo asociados al

fenmeno de la temperatura.

Las transformaciones energticas actan sobrela materia en cualquiera de las fases en questa se encuentre, ya sea slida, lquida o gaseosa.

Por efecto de una transformacin o transferencia de energa, las propiedades de lamateria pueden cambiar.

Nota: Existen muchas formas de energa (elctrica, magntica, qumica, nuclear, almacenada en unresorte, en una batera, en un quantum de luz, etc). En Termodinmica el objetivo principal es Calor yTrabajo. Adicionalmente, el enfoque es referido a la materia desde un punto de vista macroscpico.

En cuanto a la materia, como sabemos, un slido es aqul que puede resistiresfuerzos de corte sin desplazarse, en cambio un lquido o un gas (o vapor) esincapaz de resistir esfuerzos de corte sin que se desplace.

Un Fluido es una sustancia que puede encontrarse en fase lquida o gaseosa

y, por tanto, no resiste esfuerzos de corte sin desplazarse.

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Los gases (o vapores) estn constituidos por partculas en movimiento que chocanentre s, tratando de dispersarse. No tienen forma ni volumen definidos.

Los lquidos estn sometidos a fuerzas intermoleculares que lo mantienen

unido. Tienen un volumen definido aunque no su forma.

La aproximacin macroscpica de la termodinmica es una aproximacinmatemtica, en particular aplicada a los fluidos, que considera la materia como unmedio continuo sin ninguna relacin con su estructura atomstica, ello significa quese consideran efectos globales ,o promedio, de muchas molculas.

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(Un parmetro que lo determina se conoce como Nmero de Knudsen, Kn, dondeKn = /L). Tales efectos pueden incluso ser percibidos por nuestros sentidos omedidos por instrumentos, por ejp., presin, p; temperatura, T; Volumen, V; etc.Para que un continuo exista, L debe ser aproximadamente 100 veces mayor que ;

esto es: 0 Kn 0.01. (en el espacio por ejemplo, Kn es grande, a diferencia de lasbajas alturas, cercanas a la superficie de la tierra, donde el medio fluidoaire- es uncontinuo).

Tratamos, con lo que se denominan sustancias o sistemas simples, lo cual significaconsiderar sustancias macroscpicamente homogneas e isotrpicas (homognea

quiere decir uniformidad de una sustancia; isotrpica quiere decir que unapropiedad es la misma en todas las direcciones; esto es, que no cambia) y que noson afectadas por otros efectos

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la Termodinmica es actualmente de aplicacin universal, con amplios

campos asociados a las transformaciones energticas.

Tiene un vasto campo de aplicacin especialmente en ingeniera, donde, entodos los casos, el uso de los principios de la termodinmica juegan un papelmuy importante a la hora de mejorar eficiencias, reducir costos en el uso

de la energa, lograr menores impactos ambientales, perfeccionardiseos de mquinas, equipos, sistemas e instalaciones y mejorarproductividad (relacin productos/insumos).
http://www.google.cl/imgres?sa=X&biw=1051&bih=478&tbm=isch&tbnid=SvGb7hcTWVGeXM:&imgrefurl=http://www.directindustry.es/prod/attsu-termica-sl/calderas-vapor-37754-396281.html&docid=uwP8s4Ri6xIpwM&imgurl=http://img.directindustry.es/images_di/photo-g/calderas-vapor-37754-2328989.jpg&w=1024&h=843&ei=2-AMU_OoApOLkAeN-oGYAQ&zoom=1&ved=0CK8BEIQcMBY&iact=rc&dur=820&page=3&start=17&ndsp=12

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Conceptos y Definiciones.-

Sistema: se define como una regin determinada del espacio o una cantidad finita de

materia que se desea estudiar. Las paredes o superficies que rodean al sistemapueden ser fijas o mviles, imaginarias o reales y son llamadas lmites o paredesdel sistema.

El espacio exterior que rodea al sistema se llama entorno, medio circundante, medioambiente o medio externo.

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A travs de los lmites del sistema puede o n haber transferencia de energa y/ode masa con el medio circundante (hacia o desde). Si la hay entonces sern no-restrictivas, en tanto que si no la hay son restrictivas.

Sistema aisladoes aqul en el cual no hay transferencia de masa ni de energaa travs de las paredes del sistema; es decir, las paredes son restrictivas al pasode la masa o de energa.

Sistema cerrado es aquel en el cual puede existir transferencia de energa a

travs de las paredes pero no de masa. Las paredes son, por tanto, restrictivas oimpermeables al paso (o flujo) de masa.

Sistema abierto es aquel en el cual existe flujo de masa (o de energa) a travsde las paredes o lmites del sistema. . Las paredes son no restrictivas o

permeables al flujo de masa.

Las paredes o lmites de un sistema pueden ser tambin:Rgidas: restrictivas a los cambios de volumenMviles: no restrictivas a los cambios de volumen

Adiabticas: restrictivas al paso sel calorDiatrmicas: no restrictivas al paso del calor

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PRIMER SEMESTRE 2010

SISTEMA + ENTORNO (o medio ambiente) = UNIVERSO

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE

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Volumen de control.- concepto utilizado cuando existe flujo de fluidos. Es unaregin fija del espacio que puede ser estacionaria o desplazarse a velocidadconstante y a travs de la cual existe flujo de masa. Las paredes o lmites que rodeanal volumen de control se llaman superficies de control.

El VC es equivalente al sistema abierto si ste (el VC)cambia en tamao y en posicin, y es equivalente al sistema cerrado si no haytransferencia de materia.

Propiedades Termodinmicas.- son aquellos valorescaractersticas observablesde los sistemas-, necesarios para definir un punto en un plano termodinmico. Ejp.,presin, p, temperatura, T, densidad, .

Se llaman tambin variables de estado, parmetros de estado, coordenadastermodinmicas o, simplemente, propiedades.

Las propiedades termodinmicas pueden ser intensivas o extensivas.Las intensivas son independientes de la masa o tamao del sistema y slo tienen

significado para sistemas que se encuentran en un estado de equilibrio

termodinmico (ejp., p, T, ).

Las extensivas dependen de la masa o tamao del sistema. Son aditivas y tienensiempre significado an en sistemas que no estn en equilibrio (ejp., V, m,).


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Volumen especfico (v).- se define como el volumen total () de una sustancia porunidad de masa (m); es decir: v = /m (unidades: m3/kg, pie3/lb, o equivalentes).Es por tanto propiedad intensiva. Su valor inverso es la densidad, ( = 1/v = m/

[Kg/m3; Kg/lt; Lb/pie3]. m = *

).

Aclaracin:Las propiedades extensivas se designan siempre con letras maysculas y las

Intensivas con minsculas. As, si una propiedad extensiva es X, la intensivaSer x = X/m.

Estado termodinmico.- es aquel punto en un plano o superficie termodinmica quequeda definido por sus propiedades.

Estado = f(p, T);f(p,V), etc.

Equilibrio Termodinmico.- Se habla de un estado de equilibrio termodinmicocuando las propiedades del sistema no cambian.

Pueden existir diferentes tipos de equilibrio termodinmico, entre ellos:Equilibrio trmico (igual T)

Equilibrio mecnico (igual p)Equilibrio qumico (no hay reaccin qumica)

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Medidas de Presin:AbsolutaAtmosfrica o baromtrica

Manomtrica o relativaVacuomtrica (presin de vaco)

Definimos la presin comola componente normal de fuerza por unidad de superficie.

Concepto mecnico de presin: Fuerza por unidad de rea (ejercida por un fluidosobre la cara de un pistn, por ejp.).

En el caso de un fluido el concepto de presin se relaciona con los millones dechoques entre las molculas del fluido y la pared del slido que lo contiene.

En el estado de equilibrio la presin en un punto de un fluido es la misma en todasdirecciones (se llama presin esttica o simplemente presin)


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Presin atmosfrica.-Es la fuerza que ejerce el aire atmosfrico sobre la superficie terrestre.

Para medirla se utiliza un barmetro (existen diversos tipos).

La presin atmosfrica disminuye con la altura.

Presin atmosfrica normal.- se define como la presin producida por una columnade mercurio de 760 mm (76 cm) a 0 C y a nivel del mar.

Ese valor se toma como unidad prctica de presin y se denomina atmsfera.

1 atm = 760 mmHg = 10.3 m.c.a. = 14.7 psi = 101.325 kPa = 1.013x105 N/m2

1 atm = 1.01325 bar = 1.033 kg/cm2 = 1013 milibar = 29.92 pulgHg

obs: 1 Pa = 1 N/m2 ; 1 bar = 10 5N/m2

p abs = pman + p atm


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TemperaturaEs una medida del estado trmico de un cuerpo.

Existen dos escalas comunes para medir la temperatura: La Celsius (antescentgrado) y la Fahrenheit.

En Termodinmica es habitual trabajar con escalas absolutas detemperatura.

La escala Kelvin usada en el sistema internacional de unidades, SI, lacual elimin el superndice ( de grado K, K) por lo que se habla solamentede Temperatura K.

La segunda escala absoluta era usada por el viejo sistema ingls deunidades y es la escala Rankine.

La relacin entre ambas es T [R] = 1.8 T [K]


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Proceso termodinmico.- Sucesin de estados por los que pasa un sistema

Cuando una propiedad termodinmica se mantiene constante seutiliza el prefijo iso.

Si T = cte Proceso Isotrmico

Si P = cte Proceso isobrico

Si v = cte Proceso isocrico o isomtrico

Si en un proceso no existe intercambiode calor se habla de un proceso adiabtico.

Ciclo.- Serie de procesos que experimenta un sistema volviendo luego a suestado inicial (propiedades al inicio son iguales que al trmino).


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USO DE UNIDADESEl uso correcto de unidades es fundamental en termodinmica,

Las unidades permiten apreciar:

Ordenes de magnitud de un parmetro, tamao o dimensin de un elemento, cantidad de materia comparaciones diversas entre parmetros, entre sistemas, entre

elementos, etc.

Antiguamente (anterior a 1960) se utilizaban distintos sistemas de unidades,como el CGS (centmetro-gramo-segundo), el MKS (metro-kilgramo-segundo) y el sistema ingls, en adicin a diversas unidades muchas hoy yaobsoletas (braza, yarda, legua cuadrada y otras).


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A partir del ao 1956 se inicia la adopcin a nivel internacional del SistemaInternacional de Unidades SI.

Este sufre diversas modificaciones hasta el ao 1995, ao en que culmina el proceso

de adecuacin.En la actualidad a nivel mundial se emplea el sistema internacional SI pero muyampliamente tambin el sistema ingls

El uso de sistemas locales sigue siendo muy comn, sobre todo en zonas rurales oen zonas de barrios urbanos.

(China, medio oriente y otros lugares del planeta, han hecho estandarizaciones paraaproximar sus sistemas de medidas locales al sistema internacional).

En china por ejemplo, La unidad de referencia para medir la longitud es el ch. Paralas reas es el l; para las masas, eljny para el volumen, el shng, todas ellas tienenuna equivalencia al SI).

En el presente curso las unidades de medicin utilizadas son las del sistemainternacional y, adicionalmente las del sistema ingls, por ser ambas de usorecurrente en el sector industrial y comercial de Chile y de muchos pases del

mundo.


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El sistema SI considera unidades bsicas o fundamentales y unidadesderivadas. Por ejemplo,

Longitud, masa y tiempo son unidades bsicas;

fuerza, velocidad y aceleracin son derivadas.

Lo mismo ocurre, equivalentemente, en el sistema ingls. La tabla acontinuacin muestra unidades para masa, longitud, tiempo y fuerza enambos sistemas.

En el sistema SI se

utilizan prefijos

caractersticos para

el tamao de la

magnitud. Estos

prefijos son:


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En la escala numrica, para ambos sistemas, SI e Ingls, deben tenersepresente tanto el uso de decimales como de los prefijos que acompaan altrmino illn para referirse a una cantidad en millones. En particular, por

ejemplo:1 milln = 106 = 1.000.000 (1 seguido de 6 ceros)1 Billn = 1012 = 1.000.000.000.000 (1 seguido de 12 ceros)

1 Trilln = 1018 = 13000.000 .2000.0001000.0001 Cuatrilln = 1024 = 14000.0003000.0002000.0001000.000

Respecto al uso de decimales, debe tenerse especial cuidado en su uso dado quees comn en la vida cotidiana la aproximacin o el redondeo para simplificar las

cuentas o cuantificaciones. Por ejemplo:

6,1472 se puede aproximar a 6,1; a 6,15 o 6,2. En un redondeo sera simplemente 6.

Pero el uso permanente y descuidado de esas aproximaciones puede llevar aimportantes errores en clculos de ingeniera, por lo que la experiencia, o laobservacin de cifras equivalentes, es una gua para no cometer esos errores.


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Basta considerar, para ilustrar lo sealado anteriormente, el valor estndar dela aceleracin de la gravedad,

Esta equivale exactamente a: g = 9,80665 m/s2 en el SI, og = 32,174 ft/s2en el sistema ingls.

Las aproximaciones frecuentemente empleadas son 9,81 o 9,8 en el primercaso y 32,2 o simplemente 32 en el segundo caso.

Multiplicacin de efectos:En el SI, la unidad de fuerza, es el Newton -unidad derivada-, (definida entrminos de las unidades bsicas para la masa, la longitud y el tiempo).

El newton, N, es la fuerza necesaria para comunicar a la masa de unkilogramo la aceleracin de un metro por segundo en cada segundo(F=m*a).

As, un newton equivale a: 1 N = (1 kg)*(1 m/s2) = 1 kg m/s2


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Si se busca determinar el peso en newtons de un objeto cuya masa es 1000 kg, cong=9,80665 m/s2, entonces:

F = m*g = (1000 kg)*(9,80665 m/s2) = 9806,65 kg m/s2 = 9806,65 N

En trminos aproximados se podran indicar: 9.806,7 N o 9.807 N

Al usar las aproximaciones de g indicadas antes (9,81 o 9,8) se tendran 9.810 N o9.800 N

El arrastre de aproximaciones modifica mayormente los resultados.Ejemplo: Trabajo = F*x, donde x es el desplazamiento.

Si x=1,12 m (metros), podran tenerse los siguientes resultados:

Trabajo = F*x = 9806,65 [N]*1,12[m] = 10.983,448 Nm (1)

Aproximaciones: 10.983,45; 10.983,5; 10.983,4 o, incluso 10.983 Nm

Con los valores aproximados de g los resultados seran:Trabajo = 9.810*1,12 = 10.987,2 10.987 Nm, oTrabajo = 9.800*1,12 = 10.976 Nm (2)

Puede apreciarse que, entre el valor original (1) y la aproximacin (2) se dauna diferencia de: 10.983,44810.976 = 7,448 Nm


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U S S GO CFACULTAD DE INGENIERA


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(Potencia = Energa/Tiempo)

OTRAS:1 kgf = 9.80665 N1 lbf = 4.44822 N! Kgm = 2.2046 lbm 1 pie(ft) = 12 pulg (in) = 0.3048 m [1 m = 3.28 ft]

[1 hp = 0.746 kW]


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FACULTAD DE INGENIERADepartamento de Ingeniera Mecnica

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Observacin:Lanumeracin decimal en ingls usa el punto. Por ejemplo 1.12 y

en la separacin en miles, habitualmente la coma. Por ejemplo 9,800.En Chile, como en la mayora de los pases de habla hispana es al revs. Estodebe tenerse presente sobretodo en el uso de calculadoras cientficas osoftware de clculos.

En nuestro curso, al igual que como ocurre en distintos mbitos, podrnencontrarse muy habitualmente ambas modalidades de puntuacin.

Asimismo, como antes se seal, se usarn en el curso la equivalenciade unidades, entre el SI, el sistema ingls, e incluso otras unidades deuso habitual.

Ser requisito fundamental del curso manejar consoltura estas exigencias elementales.


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Medicin de Presin

La presin es la fuerza de compresin por unidad de reay da la impresin deser un vector. Sin embargo, la presin en cualquier punto de un fluido es la misma

en todas direcciones, es decir, tiene magnitud pero no direccin especfica y por lotanto es una cantidad escalar.

La presin en un lquido se incrementa de forma linealcon la profundidad desde la superficie libre.

El diferencial de presin entre los dos puntos ser:

P2 - P1 = gh= h

Siendo: g= Peso especfico del fluido


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Es posible usar una columna de fluido para medir diferencias de presin. Undispositivo basado en este principio se llama manmetro, y comnmente se usapara medir diferencias de presin pequeas y moderadas.

Un manmetro consta principalmente de un tubo en U de vidrio o plstico quecontiene uno o ms fluidos como mercurio, agua, alcohol o aceite. Para que elmanmetro tenga un tamao manejable se usan fluidos pesados como el mercurio,si existen grandes diferencias de presin.

El manmetro de la figura, se utiliza para medir la presindel gas en el recipiente. Este sistema corresponde a unmanmetro bsico. La presin en cualquier parte delrecipiente y en la posicin 1 tiene el mismo valor.

Dado que la presin en un fluido no vara dentro de ste en direccin horizontal, lapresin en el punto 2 es la misma que la presin en el punto 1, (P2 = P1).La columna diferencial de fluido de altura h est en equilibrio esttico y se halla abiertaa la atmsfera; por lo tanto, la presin en el punto 2 se determina de forma directa,como P2 = Patm + gh

donde es la densidad del fluido en el tubo


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Una consecuencia de la presin en un fluido que permanece constante enla direccin horizontal es que la presin ejercida sobre un fluidoincompresible (todos los lquidos son fluidos incompresibles) dentro de un

recipiente rgido, se transmite a todos los puntos del mismo con el mismovalor. Esto se llama ley de Pascal.

Pascal tambin seal que la fuerza ejercidapor un fluido es proporcional al reasuperficial. Basado en ese principio establecique dos cilindros hidrulicos de reasdiferentes podan ser conectados y que elms grande se poda usar para ejercer una

fuerza proporcionalmente mayor que laaplicada al menor.(Frenos y ascensores hidrulicos operan bajo ese principio)


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Particularmente, los manmetros son adecuados para medir cadas de presinenuna seccin de flujo horizontal entre dos puntosespecificados, debidas a la presencia de undispositivo como una vlvula, intercambiador

de calor o cualquier resistencia al flujo.Esto se hace conectando las dos ramas de un manmetroa estos dos puntos, segn se ilustra en la figura.

El fluido de trabajo puede ser un gas

o un lquido cuya densidad es 1. La densidad del fluido delmanmetro es 2 y la altura diferencial del fluido es h.

La diferencia de presin viene dada por: P1P2 = (21)gh

Cuando el fluido dentro de la tubera es un gas,entonces 1

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Otro tipo de dispositivo mecnico de medicin de presin de uso comn es el tubode Bourdon, nombrado as en honor del ingeniero e inventor francs EugeneBourdon (1808-1884). Este instrumento consiste en un tubo metlico hueco y

curvado como un gancho, cuyo extremo est cerrado y conectado a una agujaindicadora de disco.

Cuando el tubo se encuentra abierto a

la atmsfera no tiene desviacin y la

aguja indicadora de disco en esteestado se calibra a cero (presin

manomtrica). Cuando se incrementa la

presin del fluido dentro del tubo, ste

se alarga y mueve la aguja en

proporcin a la presin aplicada.


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La presin puede medirse tambin por otros medios. La electrnica, porejemplo, ha abierto camino a diversos dispositivos de medicin de presin.Un tipo importante de medidores incorpora el efecto piezoelctrico.

Cuando ciertos materiales slidos se deforman se genera una carga en suinterior. La relacin estmulo mecnico/respuesta elctrica suministra la basepara la medida de la presin y tambin para las medidas de fuerza ydesplazamiento.

Sensor de presin

piezoelctrico conectado a

un sistema automtico deadquisicin de datos.


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Los modernos sensores de presin, llamados transductores de presin,utilizan varias tcnicas para convertir el efecto producido por la presin aotro de tipo elctrico como el cambio de voltaje, resistencia o capacitancia.

Los transductores de presin son ms pequeos y ms rpidos y puedenser ms sensibles, confiables y precisos que sus contrapartes mecnicas.Adems, con ellos es posible medir presiones inferiores a una millonsimade 1 atm hasta varios miles de atm.


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ENERGA Y SUS INTERACCIONES. PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA

La energa es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta enlas transformaciones que ocurren en la naturaleza. Es un concepto central en

Termodinmica y uno de los aspectos fundamentales en los anlisis de ingeniera. Latermodinmica se puede incluso llegar a definir como la ciencia de la energa.

Cada persona tiene unaidea sobre este trmino,Sin, tal vez, ni siquiera poder

explicarla adecuadamente.

En trminos simples se puedesealar que la energa semanifiesta en los cambiosfsicos, por ejemplo, cuando se eleva un objeto, cuando ste se transporta, cuando se

deforma o cuando se calienta.

http://www.google.cl/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=mHN2wdLTXd1gvM&tbnid=xSR1umN2K335lM:&ved=0CAYQjRw&url=http://ceiplarreasexto.blogspot.com/&ei=_WciU5TbF-nY0QGB5oDoDQ&bvm=bv.62922401,d.dmQ&psig=AFQjCNEMXRUS7S7_kdckFlcS-Vry2n593Q&ust=1394849915013800

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Una idea bsica es que la energa puede almacenarse dentro de los sistemas endiversas formas macroscpicas. La energa tambin puede transformarse de unaforma a otra y transferirse entre sistemas.

Para sistemas cerrados la energa se transfiere por medio de trabajo y de calor. Lacantidad total de energa se conserva en todas las transformaciones y transferencias.

Una de las ms importantes y fundamentales leyes de la naturaleza es el principiode conservacin de la energa. ste expresa que durante unainteraccin, la energa puede cambiar de una forma a otra pero

su cantidad total permanece constante. Es decir, la energa nose crea ni se destruye.

Una roca que cae de un acantilado, por ejemplo, adquierevelocidad como resultado de su energa potencial convertidaen energa cintica.

http://www.google.cl/imgres?safe=active&sa=X&biw=1051&bih=478&tbm=isch&tbnid=ZYRxuZt5dT_7eM:&imgrefurl=http://html.rincondelvago.com/energia-solar_15.html&docid=1Q3yE75jxBpcZM&imgurl=http://html.rincondelvago.com/000349275.jpg&w=695&h=380&ei=lWkiU7yyMofn0gGqloCgAg&zoom=1&ved=0CKMBEIQcMBg&iact=rc&dur=4391&page=3&start=20&ndsp=12

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El principio de conservacin de la energa tambinse aprecia en las dietas: una persona que tiene unmayor consumo energtico (alimentos) respecto asu gasto de energa (ejercicio) aumentar de peso(almacena energa en forma de grasa), mientrasotra persona con una ingestin menor respecto asu gasto energtico perder peso.

El cambio en el contenido energtico de un cuerpo

o de cualquier otro sistema es igual a ladiferencia entre la entrada y la salida de energa, yel balance de sta se expresa como: Eentrada - Esalida = E

La primera ley de la termodinmica es una expresin del principio de conservacinde la energa.

Existe tambin la segunda ley de la termodinmica, la cual afirma que la energa tienecalidad as como cantidad, y los procesos reales ocurren hacia donde disminuye lacalidad de la energa.

Por ejemplo, una taza de caf caliente sobre una mesa en algn momento se

enfra, pero una taza de caf fro en el mismo espacio nunca se calienta por s

misma.


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La energa es parte importante en la mayora de los aspectos cotidianos; porejemplo, la calidad de vida y su sostenibilidad dependen de su disponibilidad. De ahque sea importante tener una buena comprensin de las fuentes energticas,

Laconversin de la energa de una forma a otra(nuclear en trmica, trmica en mecnica, mecnica en elctrica)

y las ramificaciones de estas conversiones(trmica del vapor se convierte primero en energa cintica, la cual hace girar un eje y el giro deese eje es energa mecnica. El vapor debe luego condensarse, alimentar una bomba derecirculacin que hace ingresar ese condensado a un intercambiador de calor donde setransforma de nuevo en vapor).

Tambin debe distinguirse lo que son las formas de energa, que son muchas; entreellas: trmica, mecnica, cintica, potencial, elctrica, magntica, qumica y nuclear.


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Incluso la masa puede ser considerada una forma de energa. stala energa- sepuede transferir hacia o desde un sistema cerrado (masa fija) en dos formas distintas:calor y trabajo.

Una transferencia de energa hacia o desde un sistema cerrado es calor si la provocauna diferencia de temperatura. De lo contrario es trabajo, y lo origina una fuerza queacta a travs de una distancia.

Para volmenes de control, la energa se puede transferir por flujo de masa (por

ejemplo, una tubera que transporta agua caliente).La energa total E de un sistema, es la suma de todas las energas (por ejemplo:cintica + potencial + trmica, etc.). Por unidad de masa se denota como e y seexpresa como e = E/m (KJ/Kg).

La termodinmica no proporciona informacin acerca del valor absoluto de laenerga total, slo trata con el cambio de sta, que es lo importante en losproblemas de ingeniera.

As, a la energa total de un sistema se le puede asignar un valor cero (E = 0) enalgn punto de referencia. El cambio de energa total de un sistema es independiente

del punto de referencia seleccionado.


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La disminucin en la energa potencial de una roca que cae, por ejemplo, dependeslo de la diferencia de alturas y no del nivel de referencia seleccionado.

En el anlisis termodinmico, la energa total de un sistemapuede comprender formas externas (macroscpicas) oInternas del objeto o sustancia (microscpicas).Las formas macroscpicas de energa son las que posee unsistema como un todo en relacin con un determinadomarco de referencia exterior, como las energas cintica y potencial.

La suma de todas las formas microscpicas de energa (traslacin, rotacin,vibracin, etc. de cada molcula) se denomina energa interna de un sistema y sedenota como U (como propiedad especfica es u = U/m (KJ/Kg)).

La energa que posee un sistema como resultado de su movimiento en relacin con

un determinado marco de referencia se llama energa cintica (EC). Cuando todaslas partes de un sistema se mueven con la misma velocidad, la energa cintica seexpresa como

o bien, por unidad de masa, donde V denota la velocidad del

sistema con respecto a algn marco de referencia fijo.

La energa macroscpica de unobjeto cambia con la velocidad yla altura.


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La energa que posee un sistema como resultado de su incremento de altura en uncampo gravitacional se llama energa potencial (EP)y se expresa como: EP = mgz (kJ)O por unidad de masa, ep = gz (kJ/kg)

siendo g la aceleracin de gravedad y z la altura del centro de gravedad de unsistema con respecto a algn nivel de referencia elegido arbitraria mente.

Los efectos magntico, elctrico y de tensin superficial son significativos slo en

casos especiales y en general se ignoran, como fue sealado al inicio del curso. Enausencia de esta clase de efectos, la energa total de un sistema entonces seexpresa como:

o bien, por unidad de masa,

Los sistemas cerrados, caractersticamente no experimentan cambios en susenergas cintica y potencial, razn por la cual su variacin de energa slo estar

dada por el cambio que experimente su energa interna. E = U


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Cuando existen variaciones entre dos estados 1 y 2 deben considerarse las distintasvariaciones de energa entre esos dos estados; as se podrn tener:

Variaciones de la energa interna, U = U2

U1

= m2

u2

m1

u1

Si el sistema es de masa constante entonces U = m (u2u1)

Variaciones de la energa cintica, EC = EC2EC1= m2222

- m1212

si la masa es la misma, entonces:EC = EC2EC1= m(

222 -

212 )

Variaciones en La energa potencial, EP = EP2EP1= m2gz2m1gz1

si la masa es la misma, entonces:EC = EP2EP1= mg(z2z1)

Y la variacin total de energa ser:

E = U + EP + EC


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En cuanto a los volmenes de control, stos en general estn relacionados con elflujo de un fluido durante determinados periodos de tiempo.

Por ello es conveniente expresar los trminos de manera tal que se manifieste larapidezcon la que se transmite la energa asociada al flujo de un fluido. Esto seconsigue al incorporar el flujo msico (kg/s), que es la cantidad de masa quefluye por una seccin transversal por unidad de tiempo.

y se relaciona con el flujo volumtrico (o ),

definido como el volumen de un fluido que fluyepor una seccin transversal por unidad de tiempo,mediante = * = *At*Vprom

donde es la densidad del fluido, Atel rea deseccin transversal de flujo y Vpromes la velocidadmedia del flujo normal a A

t

.

As, el flujo de energa asociado con un flujo de fluido ser: = *e

Las variaciones de energa en este caso, , deben considerar consecuentementelas diversas variaciones de la energa incluyendo la condicin de flujo.


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TRANSFERENCIA DE ENERGA POR CALOR

La energa puede cruzar la frontera de un sistema cerrado en dosformas distintas: calor y trabajo, como lo muestra la figura.

Respecto del calor: Cuando un cuerpo se coloca en un medio queest a una temperatura diferente, la transferencia de energa tienelugar entre el cuerpo y el medio hasta que se establece el equilibrio trmico, es decir,cuando ambos alcanzan la misma temperatura. La direccin de la transferencia de

energa es siempre del cuerpo con mayor temperatura al de menor temperatura. Unavez establecida la igualdad de temperatura, termina la transferencia de energa. Eneste proceso se afirma que la energa se transfiere en forma de calor.

El calor se define como la forma de energa que se transfiere entre dos sistemas (oentre un sistema y el exterior) debido a una diferencia de temperaturas.

El calor es energa en transiciny se reconoce slocuando cruza la frontera de un sistema. As, entermodinmica el trmino calor significa simplementetransferencia de calor.


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Un proceso durante el cual no hay transferencia de calor se denomina procesoadiabtico. El trmino adiabtico proviene de la palabra griega adiabatos, quesignifica no pasar.

Hay dos maneras en que un proceso puede ser adiabtico: elsistema est bien aislado de modo que slo una cantidadinsignificante de calor cruza la frontera, o bien, tanto elsistema como el exterior estn a la misma temperatura y porlo tanto no hay fuerza impulsora (diferencia de temperatura)para la transferencia de calor.

Como forma de energa, el calor tiene unidades de energa, la ms comn es el kJ (oBtu). La cantidad de calor transferida durante el proceso entre dos estados (1 y 2) sedenota mediante Q12o slo Q. La transferencia de calor de un sistema por unidad demasa se denota como q y se determina a partir de

q = Q/m (kJ/kg)

La rapidez con la que se transfiere el calor se expresa como , donde el puntosignifica la derivada con respecto al tiempo, o por unidad de tiempo. La tasa detransferencia de calor tiene las unidades kJ/s, equivalente a kW.

Cuando vara con el tiempo, la cantidad de transferenciade calor durante un proceso se determina integrando

sobre el intervalo de tiempo del proceso:


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Cuando permanece constante durante un proceso, estarelacin se reduce a

dondeT = t2- t1, es el intervalo de tiempo durante el queocurre el proceso.

El calor se transfiere mediante tres mecanismos: conduccin, conveccin y radiacin.

La conduccin es la transferencia de energa de las partculas ms energticas de unasustancia a las adyacentes menos energticas, como resultado de la interaccin entrepartculas. La conveccin es la transferencia de energa entre una superficie slida y elfluido adyacente que se encuentra en movimiento, y tiene que ver con los efectoscombinados de la conduccin y el movimiento del fluido. La radiacin es latransferencia de energa debida a la emisin de ondas electromagnticas (o fotones).


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TRANSFERENCIA DE ENERGA POR TRABAJOAl igual que el calor, el trabajo es una interaccin de energa que ocurre entre unsistema y el exterior.

El trabajo hecho por, o sobre, un sistema y evaluado en trminos de fuerzay despla-zamientoobservable macroscpicamente es:

W = .2

1

De esta manera, el trabajo es la transferencia de energa relacionada con una fuerzaque acta a lo largo de una distancia.

Un pistn ascendenteo un eje que gira, sonlas formas ms clsi-cas de trabajo.

Hay tambin otras formas como: trabajo elctrico, trabajo de un resorte y otros, que

cruzan las fronteras del sistema son tambin situaciones que se relacionan coninteracciones de trabajo, aunque de menor uso en termodinmica.

Siendo una energa, las unidades de trabajo son kJ o sus equivalentes. El trabajorealizado durante un proceso entre los estados 1 y 2 se denota por W12, 1W2, o sloW..


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El trabajo por unidad de masa de un sistema se denota mediante w y se expresacomo w = W/m (kJ/kg)

CONVENIO DE SIGNOS:En la termodinmica se utiliza un convenio de signos para Calor y Trabajo, quetiene que ver con el grado de aporte o entrega de energa de un sistema o hacia elsistema. Dicho convenio establece que:

El calor aportado a un sistema es positivo El calor que entrega el sistema es negativo El Trabajo que entrega o sale del sistema es positivo El Trabajo que se le entrega a un sistema es negativo

Q > 0W > 0

W < 0

Q < 0


D d I i M i

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Calor y Trabajo no son propiedades del sistema:

Estas formas de energa como Calor y trabajo dependen del tipo de proceso que sed en un determinado sistema; en otras palabras dependen de la trayectoria, razn

por la cual frente a un pequeo cambio, son lo que matemticamente se conocecomo diferenciales inexactas, es decir, no dependen de sus estados inicial y final.La diferencial del trabajo W se conoce como inexacta porque, en general, la integralcorrespondiente no puede calcularse sin especificar los detalles del proceso:

Lo mismo ocurre en el caso del calor.

Por otra parte, la diferencial de una propiedad se llama exactacuando el cambio endicha propiedad entre dos estados particulares no depende en modo alguno del tipode proceso que los une. Por ejemplo, el cambio de volumen entre dos estados puededeterminarse integrando la diferencial dV, sin importar los detalles del proceso, estoes:

Toda propiedad es una diferencial exacta


D t t d I i M i

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Al igual que en el caso del calor, cuando se evala el trabajo en un perodo de tiempo,equivalente a lo que antes llamamos rapidez (o velocidad) con la que se transfiere elcalor, si bien esa rapidez es tambin llamada potencia calrica o potencia trmica, el

trmino potencia, es explcitamente utilizado en el caso de trabajo.

As, La velocidad de transferencia de energa mediante trabajo se llama potenciayse representa por . Sus unidades son tpicamente el Watts (W).

TRABAJO DE EXPANSIN O COMPRESINQueremos calcular el trabajo hecho porel sistema cerrado de la figura,consistente en un gas (o lquido) conte-nido en un dispositivo cilindro-pistn,cuando el gas se expande.

Durante ese proceso de expansin, lapresin del gas ejerce una fuerza normalsobre el pistn.

Si pes la presin que acta en la superficie de separacin entre el gas y el pistn, lafuerza que ejerce el gas sobre el pistn es simplemente F = p*A. donde A es el rea

de la superficie del pistn (tambin conocido como mbolo).


D t t d I i M i

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El trabajo hecho por el sistema cuando el pistn se desplaza una distancia dxes

El producto A dx equivale al cambio en el volumen del sistema, dV. As, la expresindel trabajo puede escribirse como

puesto que dV es positiva cuando el volumen aumenta, el trabajo en la frontera en

movimiento es positivo cuando el gas se expande. El valor de dV es negativo parauna compresin y tambin lo es el trabajo resultante. Estos signos estn de acuerdocon lo establecido previamente en el convenio de signos para el trabajo.

El trabajo, para un cambio en el volumen desde V1 a V2, se obtiene integrando laecuacin anterior con lo cual:

Aunque esta ecuacin se ha deducido para el caso de un gas (o lquido) en undispositivo cilindro-pistn, es tambin aplicable a sistemas de cualquier formasiempre que la presin sea uniforme con la posicin sobre la superficie lmite en

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