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TEMA 2. LA ENERGÍA Y EL PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

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TEMA 2. LA ENERGÍA Y EL PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

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CONTENIDOS:

1. Concepto mecánico de la energía

2. Energía transferida mediante trabajo

3. Energía de un sistema

4. Transferencia de energía mediante calor

5. El balance de energía en sistemas cerrados

6. Análisis energético de ciclos

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OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

El estudiante será capaz de identificar distintas formas de transferirenergía mediante trabajo

Calcular el trabajo realizado por un sistema con su frontera móvil conla evolución de las propiedades p – V

Explicar el concepto de trabajo

Diferenciar entre calor y trabajo

El estudiante será capaz de explicar con palabras propias la PrimeraLey de la Termodinámica.

Valorar la utilidad de la energía interna

Definir los rendimientos en máquinas de producción de potencia yproducción de frío

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1. CONCEPTO MECÁNICO DE LA ENERGÍA

ENERGÍA CINÉTICA

dtdCmFs dt

dsdsdCmFs ds

dCmCFs

2

1

2

1

C

C

s

ss mCdCdsF ECECECCCmdsF

s

ss 12

21

22

2

1 21

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1. CONCEPTO MECÁNICO DE LA ENERGÍA

ENERGÍA POTENCIAL

2

1

2

1

21

222

1 z

z

z

z

mgdzRdzCCm 2

112

21

22 )(

21 z

z

RdzzzmgCCm

2

1

z

z

RdzEPEC

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2. ENERGÍA TRANSFERIDA MEDIANTE TRABAJO

(N·m=J)

Def:= Un sistema realiza trabajo sobre su entorno cuando elúnico efecto sobre cualquier elemento externo al sistema podríahaber sido la elevación de una masa

Imp: El trabajo es una forma de transferir energía!!

sdFWs

s

2

1

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2. ENERGÍA TRANSFERIDA MEDIANTE TRABAJO

NO ES UNA PROPIEDAD!!

W

W>0 trabajo hecho por el sistemaW<0 trabajo hecho sobre el sistema

POTENCIA:

2

1

t

t

dtWW

(J/s=W)

CRITERIO:

2

1

WW

WW

1

2

12 WWW

dW

W

CFW

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2.1 TRABAJO DE EXPANSIÓN O COMPRESIÓN

Procesos cuasiestáticos

2

1

2

1

2

1

V

Vextextext dVpsdApsdFW

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2.2 EJEMPLOS ADICIONALES DE TRABAJO

ALARGAMIENTO DE UNA BARRA

esfuerzo normal AF dxAW

dxAsdFW ext 2

1

2

1

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2.2 EJEMPLOS ADICIONALES DE TRABAJO

ALARGAMIENTO DE UNA PELÍCULA DE LÍQUIDO

tensión superficial por longitud unitaria

dA=2∙l∙dx cambio del área total de la superficie en contacto con el alambre

lF 2 dxlW 2

2

1

dAW

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2.2 EJEMPLOS ADICIONALES DE TRABAJO

POTENCIA TRANSMITIDA POR UN EJE

J: momento ejercido por el eje; RFtJ RwC w: velocidad angular

wJRwRJCFW

)(

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2.2 EJEMPLOS ADICIONALES DE TRABAJO

TRABAJO DE RESORTE

k: cte del resortexkF dxxkW

21

22

2

1 21 xxkdxxkW

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2.2 EJEMPLOS ADICIONALES DE TRABAJO

TRABAJO ELÉCTRICO

N: carga eléctrica (N coulombs de e-)V: diferencia de potencialI: intensidad eléctrica

IVWe

NVWe

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2.2 EJEMPLOS ADICIONALES DE TRABAJO

Proceso cuasiestático semejanza en todas las expresiones anteriores

Tipo de Trabajo Fuerza generalizada

Desplazamientogeneralizado

Expresión de W

Mecánico F dx W=-Fdx

Compresión P dV =PdV

Tensión superficial

dA =-dA

Torsión J d =J d

Eléctrico V dQc (carga) =V dQc

...)( dAAxddVpW

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3. ENERGÍA DE UN SISTEMA. PRIMER PRINCIPIO

EL PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA:

“El valor del trabajo neto hecho por o sobre un sistema cerrado sometidoa un proceso adiabático entre dos estados dados depende solamente de losestados inicial y final y no de los detalles del proceso adiabático”

Cambio de una propiedad: ENERGÍA

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3. ENERGÍA DE UN SISTEMA

cba WWW 212121

.12 adWEE

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3.2 LA ENERGÍA INTERNA

• Energía cinética de traslación de las moléculas (Dominante en gases)• Energía cinética de rotación de las moléculas (Dominante en líquidos)• Energía cinética de vibración de los átomos en la estructura cristalina (Dominante en sólidos)• Energía química de enlace entre átomos, energía de enlace entre núcleo y electrones.(Reacciones químicas)• Otras contribuciones: energía de enlace entre partículas del núcleo (se manifiesta enreacciones nucleares), energía de enlace entre las partículas subatómicas, etc.

)()()( 12121212 UUEPEPECECEE

UEPECE

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3.3 EL PRINCIPIO DE LA CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA PARA SISTEMAS CERRADOS

BBAAad WQWQWEE )( 12

AWEE 12

BWEE 12

adWEE 12 Aad WW

Bad WW

BA WW WEEQ )( 12

WQEE )( 12

BBAAad WQWQWEE )( 12

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4.1 TRANSFERENCIA DE ENERGÍA MEDIANTE CALOR.

Calor:= es la cantidad de energía transferida a un sistema cerrado duranteun proceso, por otros medios distintos al trabajo. Dicha transferencia sólose provoca como consecuencia de una diferencia de temperaturas entre elsistema y su entorno, y en el sentido descendiente de temperaturas.

Q>0: transferencia de calor hacia el sistemaQ<0: transferencia de calor desde el sistema

:velocidad neta de transferencia de energía (W)

: flujo de calor (W/m2)

CRITERIO:

2

1

QQ

2

1

t

t

dtQQ

dAqQA

Q

q

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4.2 MODOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR. CONDUCCIÓN

Ley de Fourier:

donde: es velocidad de transferencia de calork conductividad térmica del materialA área de transmisión de calordT diferencial de Tªdx diferencial de espesor

xx dx

dTAkQ

Q

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MATERIALCONDUCTIVIDAD k

(W/m K)

PLATA 429

COBRE 401

ALUMINIO 237

HORMIGÓN 2.15

MADERA 0,12

CORCHO 0,039

POLIESTIRENO 0,027

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4.2 MODOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR. CONVECCIÓN

Ley de enfriamiento de Newton:

es velocidad de transferencia de calorh coeficiente de transferencia de calor por convección

A área de transmisión de calorTs temperatura de la superficieTf temperatura del fluido

)( fs TTAhQ

Q

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Conv. Natural

Gases

h (W/m2 K)

2-25

Líquidos 50-1000

Conv. Forzada

Gases 25-250

Líquidos 50-20000

COEFICIENTES DE CONVECCIÓN:

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4.2 MODOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR. RADIACIÓN

donde: es velocidad de emisión de energía emisividad constante de Stefan-BoltzmanA área de transmisión de calorTs temperatura de la superficie

Tent temperatura del entorno

Ley de Stefan-Boltzman:

sT

entT

4se TAQ

Q

)( 44entse TTAQ

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5. EL BALANCE DE ENERGÍA EN SISTEMAS CERRADOS

Cambio en lacantidad de energíacontenida dentrodel sistema duranteun cierto intervalode tiempo

Cantidad neta de energíatransferida al sistema através de su frontera portransferencia de calordurante dicho intervalo detiempo

Cantidad neta deenergía transferida fueradel sistema través de sufrontera por trabajodurante dicho intervalode tiempo

= -

WQUEPEC

WQdE

tW

tQ

tE

0t WQ

dtdE

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5. EL BALANCE DE ENERGÍA EN SISTEMAS CERRADOS

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6. ANÁLISIS ENERGÉTICO DE CICLOS

ialEstadoiniclEstadoFinaciclociclo WQ

CICLOS DE POTENCIA

Rendimiento térmico:

ciclociclociclo WQE ialEstadoiniclEstadoFinaciclociclo WQ

seciclo QQW

11

e

s

e

se

e

ciclo

QQ

QQQ

QW

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6. ANÁLISIS ENERGÉTICO DE CICLOS

CICLOS DE REFRIGERACIÓN Y BOMBA DE CALOR

Coeficiente de operación (COP):

Ciclo de refrigeración

Bomba de calor

esciclo QQW

es

e

ciclo

e

QQQ

WQ

es

s

ciclo

s

QQQ

WQ