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*INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TACÁMBARO.
INGENIERÍA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS.
“PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA”
PROFESOR: URIEL OLIVARES MOLINA. *ALUMNOS:
MEJÍA SAUCEDO GABRIELA. OROZCO VICTORIA CLAUDIA LETICIA.
*TORRES ÁVILA RICARDO.*GUTIÉRREZ RAMOS SALVADOR.
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♥ JAMES PRESCOTT JOULE.
(1818 - 1889).Físico británico. Uno de los más notables físicos de su época, es conocido sobre
todo por su investigación en
electricidad y termodinámica.
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En el transcurso de sus
investigaciones sobre el calor
desprendido en un circuito
eléctrico, formuló la ley
actualmente conocida como ley
de Joule.
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La cual establece que la cantidad de calor producida en un conductor por el paso de una corriente eléctrica
cada segundo, es proporcional a la resistencia del conductor y al cuadrado
de la intensidad de corriente.
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*Joule verificó experimentalmente la ley de la conservación
de energía en su estudio de la
conversión de energía mecánica en energía
térmica.
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La unidad de energía denominada julio se llama así en su honor;
equivale a 1 vatio - segundo. Junto con el físico William Thomson
(posteriormente lord Kelvin), Joule descubrió que la temperatura de
un gas desciende cuando se expande sin realizar ningún
trabajo. Este fenómeno, se conoce como efecto Joule.
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primera ley de la termodinámica
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También, conocida como el principio de conservación de la energía, afirma que
la energía no puede crearse ni destruirse; solo puede cambiar de forma.
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El principio de conservación
de la energía para cualquier
sistema que pasa por cualquier
proceso se puede expresar de
la siguiente manera:
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El cambio neto en la energía total del sistema
durante un proceso es igual a la diferencia entre la
energía total que entra y la energía total que sale del
sistema durante dicho proceso.
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Energía totalque entra en
el sistema.
• Energía totalQue sale del
Sistema.
• Cambio en laenergía total del sistema.
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Formas de energía:
La energía total de un sistema tiene 3 componentes:
Energía cinética.
Energía potencial.
♥Energía interna.
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ENERGÍA CINÉTICA.
Es aquella debida al movimiento traslacional del sistema como un todo en relación con determinado
marco de referencia (por lo general la superficie terrestre) o a la rotación del sistema en torno a
un eje.
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La energía cinética, Eκ(J) de un objeto de masa m(kg) que se
mueve con velocidad u(m/s) en relación con la superficie de la
tierra es:
* Ek = mu²
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Si un fluido entra a un sistema con una velocidad de flujo másico m(kg/s) a velocidad
uniforme u(m/s), se tiene que:
♥Ek = mu²Ek(J/s) se puede considerar
como la velocidad a la cual el fluido transporta la energía
cinética al sistema.
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*Energía Potencial.
Se debe a la posición del sistema en un campo de potencia (gravitacional o
electromagnético).
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La energía potencial gravitacional de un
objeto de masa m es:
Ep = mgz
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DONDE:
g es la aceleración de la gravedad y z es la altura del
objeto por arriba de un plano de referencia, en el
cual Ep se define de manera arbitraria como cero.
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Si el fluido entra a un sistema con velocidad de flujo másico m y elevación z en relación con el plano de referencia de energía
potencial, entonces:
Ep = mgz
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Ep(J/s) puede considerarse, en consecuencia, como la
velocidad a la cual el fluido transporta a la energía gravitacional hacia el
sistema.
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Por lo general nos interesa el cambio de energía potencial cuando un cuerpo o fluido se desplaza de una elevación a
otra.
[Ep2 - Ep1 = mg(z2 - z1)].
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*Energía Interna.Es la que posee un sistema
además de sus energías cinética y potencial, por ejemplo: la debida al movimiento de las
moléculas en relación al centro de masa del sistema, al movimiento rotacional y
vibracional y a las interacciones electromagnéticas de las
moléculas.
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Así mismo al movimiento e interacciones de los
constituyentes atómicos y subatómicos de estas
ultimas.
Supongamos que un sistema de proceso es
cerrado, es decir, no hay transferencia de masa a través de sus fronteras mientras el proceso se
realiza.
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La energía puede
transmitirse entre un
sistema de este tipo y
sus alrededores de
dos maneras:
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*EN FORMA DE CALOR O ENERGÍA:
Que fluye como resultado de la diferencia de temperatura entre
el sistema y sus alrededores.La dirección del flujo siempre es de la temperatura mas alta a la
mas baja. El calor se define como positivo cuando se transfiere de
los alrededores al sistema.
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*COMO TRABAJO O ENERGÍA:
Que fluye en respuesta a cualquier fuerza impulsora que no sea una diferencia de temperatura, como una
fuerza, una torque (momento de torsión) o un
voltaje.
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Por ejemplo, si un gas se expande dentro de un cilindro y
mueve un pistón contra una fuerza restrictiva, el gas realiza
trabajo sobre el pistón (se transfiere energía en forma de
trabajo del gas a sus alrededores, los cuales incluyen
el pistón).
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Los términos “trabajo” y “calor” se refieren solo a la
energía que se transfiere: se puede hablar del calor o del
trabajo que se añade o desprende del sistema.
La energía, al igual que el trabajo, tiene unidades de fuerza multiplicada por la
distancia: por ejemplo, Joules (N.m), ergs (dina.cm) y ft.lbf.
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También es común usar unidades de energía definidas en términos de la cantidad de calor que debe transferirse a una masa especifica de agua
para aumentar su temperatura en un intervalo especifico a
presión constante de un atm.
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TABLA DE LAS UNIDADES MAS COMUNES.
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MATEMÁTICAMENTE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA SE
EXPRESA:
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ΔU = Q WDonde:
ΔU = variación de la energía interna del sistema expresada en
calorías (cal) o Joules (J).
Q = calor que entra o sale del sistema medido en calorías o
joules.
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W = trabajo efectuado por el
sistema o trabajo realizado sobre
éste expresado en calorías o
Joules.
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El valor de Q es positivo cuando entra calor al
sistema y negativo si sale de él.
El valor de W es positivo si el sistema realiza trabajo y
negativo si se efectúa trabajo de los alrededores
sobre el sistema.
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BALANCE DE ENERGÍA PARA SISTEMAS CERRADOS
Se dice que un sistema es abierto o cerrado dependiendo de que la masa cruce o no las fronteras del sistema durante el tiempo cubierto por
el balance de energía. Por
definición, un sistema de proceso por lotes
es cerrado, y los sistema
semicontinuos o continuos son
abiertos.
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*Balance de energía para sistemas cerrados. (masa
fija)
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Es posible escribir el balance de energía integral para un sistema cerrado entre los instantes dados, como la energía no puede crearse ni destruirse, los términos de generación y consumo del balance general se cancelan lo cual dejan:
Acumulación = entrada – salida
El termino de acumulación es igual a el valor final de la cantidad balanceada (en este caso la energía del sistema), menos el valor inicial de esta cantidad.
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POR LO TANTO LA ECUACIÓN PUEDE ESCRIBIRSE:
acumulación = entrada – salida
Energía final del sistema
Energía inicial del sistema
Energía transferida al sistema (entrada –
salida)
En donde:Energía inicial del sistema = Ui + Eki + EpiEnergía final del sistema = Uf + Ekf + EpfEnergía transferida = Q - W
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EN CONSECUENCIA LA ECUACIÓN QUEDA:
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Un sistema cerrado consta de una masa fija.
Este es en especial el caso para los sistemas
estacionarios, ya que no comprenden cambios en la
velocidad o elevación durante el proceso.
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En ese caso, la relación del balance de energía se reduce a
sistema cerrado estacionario:
Eent - E sal = ΔU = mCvΔT (J) ΔT = (T2 - T1)
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EN DONDE:
ΔT = cambio de temperatura
Cv = calor especifico. m = masa. T1 = temperatura inicial. T2 = temperatura final.
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Cuando el sistema solo comprende transferencia de calor y ninguna
interacción de trabajo, la relación de balance de energía se reduce
todavía mas.
Sistema cerrado estacionario sin trabajo.
Q = mCvΔT (J) ΔT = (T1 – T2)
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Donde Q es la cantidad neta de la transferencia de calor que entra o sale del
sistema.
La anterior es la forma de la relación del balance de
energía que se usara con mas frecuencia al tratar una
masa fija.
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PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA PARA SISTEMAS ABIERTOS
Por definición, hay masa que atraviesa las fronteras de un sistema de proceso abierto a medida que este
ocurre. Para introducir masa al sistema es necesario realizar trabajo
sobre el mismo y cuando emerge masa del sistema se lleva a cavo
trabajo en los alrededores.
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TRABAJO DE FLUJO Y DE FLECHA.
La velocidad neta de trabajo realizado por un sistema abierto sobre sus alrededores se expresa como:
Donde: Ws = trabajo de flecha o velocidad de
trabajo realizado por el fluido del proceso sobre alguna parte móvil dentro del sistema (p.ej. El rotor de una bomba).
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Wn = trabajo de flujo o velocidad de trabajo realizado por el fluido en salida del sistema, menos la velocidad de trabajo realizado sobre el fluido en la entrada del sistema.
Para derivar la expresión Wn consideraremos, de inicio, un sistema de entrada y una salida.
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El fluido a P entrada (N/) entra a una tubería a velocidad de flujo volumétrico V entrada (/s) y sale a presión P salida (N/) y con una velocidad de flujo volumétrico V
salida (/s)
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El fluido que entra al sistema experimenta el trabajo realizado sobre el por el fluido que se encuentra justo detrás, a razón de:
W entrada (N*m/s) = P entrada (N/) V entrada (/s).Mientras que el fluido que sale del sistema lleva a cavo un trabajo sobre los alrededores a razón de: W salida = P salida – V salidaLa velocidad neta sobre la cual el sistema realiza el trabajo en la entrada y en la salida es: Wn = P salida V salida – P entrada V entradaSi varias corrientes de entrada y salida llegan y se van del sistema, los productos PV para cada corriente deben sumarse para determinar Wn.
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Una propiedad que se presenta en la ecuación de balance de energía para
sistemas abiertos es la entalpia especifica, que se define como:
Donde P es la presión total U y V son la energía interna y el volumen especifico.
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La función de la entalpia es importante en los análisis de sistemas abiertos, sin embargo también se puede demostrar que si un sistema serrado se expande (o contrae) en contra de una presión externa constante, ΔEk y ΔEp son insignificantes, y el único trabajo realizado por o sobre el sistema es de expansión y, entonces la ecuación de balance de energía se reduce a: ΔH = Q
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EL BALANCE DE ENERGÍA PARA UN SISTEMA ABIERTO EN ESTADO ESTACIONARIO.
La primera ley de la termodinámica para un sistema abierto en estado estacionario tiene la forma de:
ENTRADA = SALIDA
En este caso la entrada significa la velocidad total de transporte de energía cinética, potencial e interna por todas las corrientes de entrada al proceso, mas la velocidad de transferencia de energía en la entrada en forma de calor, y la salida es la velocidad total de transporte de energía por las corrientes de salida, mas la velocidad de transferencia de energía hacia afuera en forma de trabajo.
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En términos de estas cantidades, la ecuación se transforma en:
La ecuación indica que la velocidad neta a la cual se transfiere energía al sistema como calor y/o trabajo de flecha (Q – Ws), es igual a las diferencias entre las velocidades a las cuales la cantidad de (ΔH + ΔEk + Δep)Se transporta hacia afuera o hacia adentro del sistema.
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*Balance de energía
para sistemas de
flujo estacionario.
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El termino estacionario significa ningún cambio con el
tiempo en una ubicación especifica.
Lo opuesto a estacionario es no estacionario o transitorio.
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Asimismo, el termino uniforme implica ningún cambio con la
posición en toda una superficie o región en un tiempo
especifico.
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El contenido total de energía de un volumen de control
durante un proceso de flujo estacionario permanece
constante (Evc = constante).
Es decir, el cambio en la energía total del volumen de
control durante un proceso de este tipo es cero. (ΔEvc = 0).
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Por lo tanto, la cantidad de energía que entra en un volumen de
control en todas las formas (calor, trabajo y transferencia de masa)
para un proceso de flujo estacionario debe ser igual a la
cantidad de energía que sale de el.
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El volumen de un fluido que fluye por un tubo o ducto por unidad de tiempo se llama gasto volumétrico V y se expresa como:
V = °VAc = (/s)
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Note que el gasto de masa de un fluido por un tubo o ducto
permanece constante durante el flujo estacionario.
sin embargo, este no es el caso para el gasto volumétrico, a menos
que la densidad del flujo permanezca constante.
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Cuando los cambios en las energías cinética y potencial son
despreciables, que es el caso mas común, y no se tiene interacción de trabajo , el balance de energía para tal sistema de flujo estacionario se
reduce a:
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Q = mΔh = mCpΔT
𝑚𝑇 1
𝑚𝑇 2
Volumen de centro
Etransferencia = mCp( T2 – T1) (kJ/s)
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En don de Q, es la velocidad de la transferencia neta de calor hacia
adentro o hacia afuera del volumen de control.
La anterior es la forma de relación de balance de energía que se usara con la mayor frecuencia
para sistemas de flujo estacionario.
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*Balance
superficial de
energía.
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Una superficie no contiene volumen ni masa y, por lo tanto,
tampoco energía.
Por lo mismo, una superficie se puede concebir como un sistema ficticio cuyo contenido de energía permanece constante durante un proceso (precisamente como un sistema de estado estacionario o
de flujo estacionario).
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Entonces el balance de energía
para una superficie se puede
expresar como:
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Balance superficial de energía:
Eent = E sal
Esta condición es valida tanto para condiciones estacionarias
como transitorias.
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El balance superficial de energía no comprende generación de calor puesto que una superficie no tiene volumen.
Radiación Q3
Q2 convección
PARED
conducción
Q1
Superficie de control
El balance de energía para la superficie exterior, por ejemplo, se puede expresar como:
Q1 = Q2 + Q3
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Donde Q1 es la conducción de la pared hasta la superficie, Q2 es la convección de la superficie hacia el aire del exterior y Q3 es la radiación neta de la superficie hacia los alrededores.
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*FUENTES CONSULTADAS. Termodinámica.Cuarta edición.
Yunus A. Cengel. Michael A. Boles.Pág. 164-168.
Transferencia de calorYunus A. CengelSegunda ediciónPág.11-17.
www.fisicanet.com.or/biografias/cientificos/j/Joule.php.
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hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hb asees/ke.html
http://hyperphysics.phy-
astr.gsu.edu/hbasees/thermo/inteng.html
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/
pegrav.html