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FACULTAD DE INGENIERIA EN MECANICA Y CIENCIAS DE LA PRODUCCION

TERMODINAMICA I

I TERMINO 2014-2015

CAPITULO # 3

ENERGIA INTERNA, CALOR, TRABAJO, EC, EP

OBJETIVOSConcepto de energa y definir sus distintas formas

Analizar la naturaleza de la energa interna

Definir concepto de calor y la terminologa relacionada con la transferencia de energa causada por calor

Analizar los tres mecanismos de transferencia de calor: conduccin, conveccin y radiacin

Definir concepto de trabajo, incluidos el trabajo elctrico y varias formas de trabajo mecnico

Primera ley de termodinmica, balances de energa y mecanismos de transferencia de energa hacia o desde un sistema

Definir eficiencias de conversin de energa

FORMAS DE ENERGIAEnerga: Capacidad que tiene la materia de producir trabajo en forma de movimiento, luz, calor, etc.

Energa en varias formas: trmica, mecnica, cintica, potencial, elctrica, magntica, qumica, nuclear.

La suma conforma la Etotal de un sistema:

e= E/m (KJ/kg)

La energa se expresa como el cambio, no en funcin de la energa absoluta

FORMAS DE ENERGIA

Las formas macroscpicas de energa se toman como un todo en relacin con un marco de referencia, ej. Energa cintica, potencial.

Las formas microscpicas de energa tiene relacin con la estructura molecular. Son independientes de los marcos de referencia externos.

La suma de todas las energas microscpicas se denomina energa interna de un sistema

U= energa interna total U/m=u u=energa interna especfica

FORMAS DE ENERGIA

FORMAS DE ENERGIALa energa que posee un sistema como resultado de su movimiento en relacin a cierto marco de referencia se denomina energa cintica

EC= m V/2 (KJ)

ec= V/2 (KJ/kg)

La energa que posee un sistema como resultado de su elevacin en un campo gravitacional se denomina energa potencial

EP= m g z (KJ)

ec= g z (KJ/kg)

La energa total de un sistema consta de EC, EP y U.

E = U + EC + EP (KJ)

FORMAS DE ENERGIALa energa por unidad de masa de un sistema consta de EC, EP y U.

e = u + ec + ep (KJ/kg)

SISTEMAS CERRADOS: permanecen estacionarios, no experimentan cambios en EC y EP. Cambio de energa total:

E = U

FORMAS DE ENERGIAVOLUMEN DE CONTROL: se relaciona con flujos de un fluido durante largos periodos de tiempo (tasa de flujo de energa en relacin con una corriente de fluido), se consigue al tomar en cuenta el flujo msico.

Flujo msico: cantidad de masa que fluye por una seccin transversal por unidad de tiempo.

= V = A VpromA: rea; V: flujo volumtrico; : densidad del fluido; Vprom: velocidad promedio del fluido

FORMAS DE ENERGIAFlujo de energa

E = e (KJ/s) = flujo msico

Energa mecnica: forma de energa que se puede convertir en trabajo mecnico de forma directa mediante un dispositivo mecnico (ej. Turbina ideal transforma energa potencial en cintica)

Energa trmica: no es energa mecnica: No se puede convertir completamente en trabajo de forma directa y completa porque viola la segunda ley de termodinmica.

EJEMPLOS

Bomba entrega energa mecnica al fluido para elevar la presinTurbina extrae energa mecnica de un fluido al disminuir la presin

FORMAS DE ENERGIATRABAJO DE FLUJO: fuerza de presin que acta sobre un fluido a travs de una distancia

P/ (J/kg) : es energa por unidad de masa o energa de flujo

ENERGA MECNICA DE FLUJO:

emec = P/ + (V/2) + gz (J/kg)

Energas del fluido por unidad de masa

(V/2) = energa cinticagz = energa potencial

Energa mecnica expresada por unidad de tiempo:

Emec = emec = (P/ + V/2 + gz) (KJ)

FORMAS DE ENERGIACambio de energa mecnica de un fluido durante flujo incompresible (= constante)

emec = (P P)/ + (V - V)/2 + g(z z) (KJ/kg)

Emec = ((P P)/ + (V - V)/2 + g(z z)) (KW)

Energa mecnica de un fluido

Emec no cambia durante el flujo si:

P, , V, z permanecen constantes

TRANSFERENCIA DE ENERGIA

La energa puede cruzar la frontera de un sistema cerrado de dos formas: Calor o trabajo

CALOR: forma de energa que a una temperatura dada se transfiere a travs de los limites de un sistema a otro sistema (o a su entorno) que esta a menor temperatura y que sucede en virtud de la diferencia de temperatura entre los dos sistemas, es decir, la fuerza impulsora es la diferencia de temperatura.


TRABAJO:. Un sistema realiza un trabajo si el nico efecto sobre el entorno (todo lo que externo al sistema) podra ser la elevacin de un peso. Ntese que es la transferencia de energa relacionada con la fuerza que acta a travs de una distancia

Si la energa que cruza la frontera no es calor entonces es trabajo.


Transferencia de calor se da entre el cuerpo y el medio hasta que alcanza el equilibrio trmico (igual temperatura).

La direccin de la transferencia de energa se da del cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura (energa en forma de calor).

TRANSFERENCIA DE ENERGIA POR CALOR

Calor: frases de uso comn en ingeniera:

FLUJO DE CALOR ABSORSION DE CALOR PERDIDA DE CALOR GENERACION DE CALOR GANANCIA DE CALOR CALENTAMIENTO ELECTRICO CALENTAMIENTO POR FRICCION CALOR DE REACCIONCALOR DE PROCESO

TRANSFERENCIA DE ENERGIALa transferencia de calor hacia un sistema = adicin de calor.

Rechazo de calor significa hacia afuera del sistema.

Calor: Es energa en transicin reconocido cuando cruza la frontera de un sistema a los alrededores.

Transferido el calor se vuelve parte de la energa interna del sistema y los alrededores.


PROCESO ADIABATICO:

Es un proceso durante el cual no hay transferencia de calor.

Ejemplo: sistema aislado o no existe transferencia de calor (no existe diferencia de temperatura)

Un proceso se considera adiabtico cuando:

Un mbolo se desplaza por la accin de un gas en expansin,

Si las paredes del cilindro se aslan, y

Si la expansin ocurre rpidamente.


Calor:

Transferencia de calor = Q

Tiene unidades de energa (KJ, BTU)

Transferencia de calor por unidad de masa es: q = Q/m (KJ/kg)

TRANSFERENCIA DE ENERGIA POR TRABAJOTrabajo: tiene unidades de energa (kJ, BTU)Trabajo realizado = W (kJ)Trabajo por unidad de masa: w = W/m (kJ/kg)

Potencia: Es la rapidez en el tiempo con que se realiza trabajo: W = W/dt

Unidad para la potencia: (J/s = Watt)

TRANSFERENCIA DE ENERGIA POR TRABAJO

La unidad para la potencia en unidades inglesas conocida es el caballo de fuerza (HP)1 HP = 550 lb-f/s

Con frecuencia es conveniente hablar de trabajo por unidad de masa del sistema, llamado trabajo especifico, representado como:

w = W/m (kJ/kg)

Convencin:

PositivosTransferencia de calor hacia un sistemaTrabajo hecho por un sistema

NegativosTransferencia de calor desde un sistemaTrabajo hecho sobre el sistema

Transferencia de calorEjemplo: Coccin de alimento dentro de un recinto aislado trmicamente =>Transferencia de calor por diferencia de temperaturab) Calentamiento de un horno por transferencia de calor.c) Calentamiento de agua en una caldera por quema de combustible.

TRANSFERENCIA DE ENERGIA POR TRABAJO

Transferencia de energa por trabajo Ejemplo: corriente (i) pasa por una resistencia (R) con diferencia de potencial (V)

Welect.= (V * i) (Watt) = i*R2 (Watt)

Welect. es potencia elctrica

FORMAS MECANICAS DE TRABAJO

Para fuerza constante

W = F x d (KJ)

(W): Trabajo proporcional a la fuerza aplicada y a la distancia recorrida.

Para fuerza no constante

W = F x ds (KJ)

Donde F = f(s)

Trabajo realizado sobre un sistema es (-)Trabajo realizado por el sistema es (+)

FORMAS MECANICAS DE TRABAJOTrabajo de flecha

T = F x r (KJ)

F = T/r

Fuerza acta a lo largo de una distanciaDistancia (s) = 2 r n

Wflecha = F x s = (T/r) (s) = 2 n T

n = numero de vueltas del eje de radio r

Potencia = trabajo / tiempo

Pot = 2 N T (W)N = n/t = RPM

FORMAS MECANICAS DE TRABAJOTrabajo de resorte

Wresorte = Fdx

F = k x (kN)

k = constante de resorte (KN/m)x = desplazamiento (m)

Reemplazando en la ec. diferencial:

Wresorte = (k/2) (x22 x21)

x1: desplazamiento inicial del resorte x2: desplazamiento final del resorte

OTRAS FORMAS DE TRABAJO MECANICO

Trabajo para elevar un cuerpo

Wec = mg x z/t (kJ/s = kW o HP)

HP = 0.7547 KW

Trabajo para acelerar un cuerpo

Wac = (1/2) m (V22 V21) (kW)

V1: velocidad inicialV2: velocidad final

CONCEPTOS DE TERMODINAMICAI Ley de la termodinmica: es conocida como el principio de la conservacin de la energa.

Por observaciones experimentales, la energa no se puede crear ni destruir durante un proceso, solo se puede cambiar de forma. La cantidad de energa puede ser grande o pequea, se justifica durante un proceso.

PROCESO ADIABATICO:

a) Sistema bien aislado, o b) Sistema tiene la misma temperatura que sus alrededores (no hay diferencia de temperatura para la transferencia de calor).

MA: Fig. 238-239-240

CONCEPTOS DE TERMODINAMICA

PROCESO ADIABATICO:

La energa se reconoce solamente cuando cruza la frontera de un sistema; en el caso de un proceso adiabtico un sistema no intercambia calor con sus alrededores.

Entre dos estados especificados en un sistema cerrado, el trabajo neto realizado es el mismo sin tomar en cuenta la naturaleza del sistema cerrado ni los pormenores que ocurrieron durante el proceso.


PROCESO ADIABATICO:

Nota: En un proceso adiabtico no hay transferencia de calor, pero el trabajo aportado puede cambiar el contenido de energa, por lo tanto la temperatura del sistema.

Ejemplo: trabajo elctrico (calentamiento por resistencia en un sistema aislado, Q= 0) se convierte en incremento de la energa interna del sistema.

MA: Fig. 240-241 -242

CONCEPTOS DE TERMODINAMICAEn ausencia de cualquier forma de trabajo, el cambio de energa E del sistema es igual a la transferencia neta de calor.

EJEMPLOS:

El trabajo (elctrico) hecho sobre un sistema adiabtico es igual al incremento de la energa E del sistema.

El trabajo hecho por un eje sobre un sistema adiabtico, es igual al incremento de la energa E del sistema.

El trabajo de frontera hecho sobre un sistema adiabtico, es igual al incremento de la energa E del sistema.

El cambio de energa de un sistema durante un proceso es igual al trabajo y transferencia de calor neto entre el sistema y sus alrededores.

En ausencia de cualquier forma de trabajo, el cambio de energa E del sistema es igual a la transferencia neta de calor.

El trabajo (elctrico) calentamiento por resistencia hecho sobre un sistema adiabtico es igual al incremento de la energa E del sistema.

El trabajo de flecha hecho por un eje sobre un sistema adiabtico, es igual al incremento E.

El trabajo de frontera sobre un sistema adiabtico, es igual al incremento E de energa.

El cambio de energa de un sistema durante un proceso es igual al trabajo y transferencia de calor neto entre el sistema y sus alrededores.


IMPORTANTE:

Una interaccin de energa que no es causada por una diferencia de temperatura entre un sistema y sus alrededores es trabajo.

MA: Fig. 247


Balance de energa

El principio de conservacin de energa se expresa como:

El cambio neto en la energa total del sistema que ocurre durante un proceso, es igual a la diferencia entre la energa total que entra y la energa total que sale del sistema

Eentr Esal = Esist

Cambio de energa en un sistema:

Esist = Efinal Einicial = EC + EP + U

MA: Fig. 243


U = m (u2 u1) EC = (1/2) m (V22 V21) EP = m g (z2 z1)

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE ENERGIA

Eentr Esal = 0Transferencia de calor: Q (energa transferida como calor por dif. de temp.)Ganancia de calor incremento de energa de las molculas del sistema

Transferencia de trabajo: W (energa contenida en el sistema, no dif. de temp.)Eje rotatorioEnerga elctricaFlujo de mbolo

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE ENERGIAFlujo msico(energa transferida como calor cuando entra al sistema)

Eentr Esal = (Qent + Qsal) + (Went + Wsal) + (Emasa,entr Emasa,sal) = Esist

Para sistema estacionario: EC = EP = 0 Por lo tanto: E = U (incremento de energa interna)

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE ENERGIAEnfriamiento en un deposito de un fluido calienteEentr Esal = Esist = U = U - U

Aceleracin de un fluido mediante trabajo elctricoEentr Esal = dEsist/dt = 0 Welect = ()(ECsal) = ()(Vsal)/2

Calentamiento de artefactos elctricosEentr Esal = dEsist/dt = 0Welect = Q flujo sal = U A (Ti - To)

Welect es potencia electrica

EFICIENCIA DE CONVERSION DE LA ENERGIAEFICIENCIA DE COMBUSTION = Q/(m)PC comb

= eficiencia en % Q = calor generado por la combustin (KJ/kg)PC = poder calorfico del combustible (KJ/kg)

Poder calorfico inferior (PCI): Cuando el agua sale como vapor

Poder calorfico superior (PCS): Cuando el agua en los gases de combustin se condensa 100%, recuperando el calor de vaporizacin.

PCI es menor que PCS

EFICIENCIA DE CONVERSION DE LA ENERGIAEFICIENCIA GLOBAL

g = Producto de las eficienciasEficiencias:CombustinTrmicaGeneracin

g = trabajo neto elctrico/(PCS * neto)

g= eficiencia global

Eficiencia de:

Motores a gasolina: 25 30%Motores a diesel: 34 40%

EFICIENCIA DE CONVERSION DE LA ENERGIAEFICIENCIA DE DISPOSITIVOS MECANICOS Y ELECTRICOS

mec = salida de energa mecnica/energa de entrada

mec = Potencia al freno E mec /Potencia indicada E mec

turbina = salida de E mec /Disminucin de E mec del fluido

bomba = energa obtenida /Entrada de E mec sobre el fluido

ENERGIA Y MEDIO AMBIENTECO2, MP, SO2, Nox, formacin de Ozono, VOC, HCl, THC

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