CAPTULO 08Trabajo y CalorM. Hadzich

INDICEIntroduccinTrabajo y Calor10.1 Primera Ley de Termodinmica.10.2 Relaciones entre Q, W, U10.3 Sistemas Cerrados ReversiblesEnerga InternaCalor EspecficoDerivacin del PoltropoImportancia del Poltropo10.4 Primera Ley para ciclos10.5 Primera Ley sistemas abiertos10.6 CiclosCiclos positivosCiclos negativos10.7 Rendimientos

Problemas

Cmo se medira el trabajo de este cargador frontal?Cul sera la relacin entre trabajo y calor en este motor?

8. TRABAJO Y CALOR

8.1 CALOR ( Q )

Es una interaccin energtica entre un sistema o VC y sus alrededores a travs de aquellas porciones de los lmites del sistema o VC que no hay transferencia de masa, como consecuencia de la diferencia de temperatura entre el sistema o VC y sus alrededores.

Caractersticas:

-Es energa transitoria; slo en procesos.

-No es almacenable.

-Se manifiesta en los lmites del sistema o VC.-No es una propiedad termodinmica, debido a depende de la trayectoria.

Convencin de signos:

(+) Cuando ingresa al sistema o VC. (-) Cuando sale del sistema o VC.Unidades:Q (+)EntraSuministradoPOSITIVO/Q/SaleExtradoEvacuadoDisipadoNEGATIVO(-)SISTEMA o VC

Q suministrado (+) = el sistema recibe calor8.2 TIPOS DE CALOR/ Q evacuado / (-) = Se saca calor a la fuerza

/ Q disipado / (-) = Se va calor al ambienteQd = 0 = ADIABATICO/ Q friccin / (-) = Sale calor en los procesos irreversibles

Q(-)8.3 Mquinas de Calor:Caldera: (Q(+))Refrigeradora: (Q(-))Intercambiadores: (Q(+)) y (Q(-))Q (+)Q (+)Q (+)Q (+)Q(-)Q(-)Q(-)

Ejemplos:

8.4 TRABAJO: (W)

Es una transferencia de energa entre un sistema o VC y sus alrededores, a travs de aquellas porciones de los lmites del sistema o VC que no hay transferencia de masa, como consecuencia de una diferencia en una propiedad intensiva de la temperatura, entre el sistema o VC y sus alrededores.

Caractersticas:

Las caractersticas mencionadas para el calor tambin se cumplen para el trabajo.

Convencin de signos:

(-) Cuando ingresa al sistema o VC. (+) Cuando sale del sistema o VC.Unidades:W (-)RecibidoNEGATIVOW (+)ProducidoPOSITIVOEl que da es POSITIVO y el que recibe NEGATIVOSISTEMA o VC

La Termodinmica estudia las relaciones existentes entre calor Q y trabajo W.

CENTRAL TRMICA ABIERTA

CENTRAL TRMICA CERRADA

Formas en que se manifiesta el trabajo:

-Trabajo Mecnico: (WM)

Es el realizado por fuerzas externas actuando sobre las fronteras del sistema como resultado pueden variar la energa cintica y la energa potencial del sistema o VC ms no las magnitudes de estado.

Trabajo realizado sobre el sistema:

Cmo cambia la energa en cada tramo del recorrido?

-Trabajo de friccin: (WW)

Es el trabajo realizado por fuerzas que actan tangencialmente al lmite del sistema. Este trabajo se transforma totalmente en calor.La friccin siempre ser negativa y la estudiaremos profunda,mente en la Segunda Ley de la Termodinmica.

sin la friccin no podramos caminar.....el diseo de los lubricantes se hace tomando en cuenta la friccin...el diseo de las llantas y las pistas se hace tomando en cuenta este trabajo de friccin

-Trabajo Tcnico o al Eje:(Trabajo al freno - Brake Power)

Es el trabajo que se puede formar de un eje. (rectilneo o rotatorio) Las unidades en que se mide es Watt o kW.al tratar de pararlo me trata de levantar, entonces mi peso seria la fuerza por la distancia de mi brazo (que ser la longitud) hace el torque T = F x d, y si lo multiplicamos por la RPM (en rad/s) nos da la potencia o el trabajo tcnico.

En el motor el trabajo alternativo se convierte en rotativo- sistema biela manivelaTodos los ejes, ya sean alternativos o rotatorios dan trabajo tcnico

En el laboratorio se calcula la potencia o y trabajo tcnico en los llamados Frenos de Prony

-Trabajo elctrico: (WE)

Es el realizado como una consecuencia de una diferencia de potencial elctrico, se puede transformar totalmente en calor a travs de una resistencia elctrica.el voltaje es constante (220 V) y lo que pagamos es la carga o intensidad I en Amperes

Todo el trabajo elctrico se puede convertir en Calor de Friccin, pero al revs noEs mejor trabajar con calor que con trabajo elctrico....solo por facilidad

-Trabajo de cambio de volumen: (WV )

Es el trabajo realizado por el desplazamiento de las fronteras del sistema, debido a las fuerzas externas que actan perpendicularmente al sistema y que dan una variacin del volumen del sistema.Luego:Los clculos de Wv para cada proceso politrpico estn en la pg. 16

Por qu sube el pistn?

Si estamos dentro del cilindro ser el mximo trabajo terico que el motor puede hacer, este es Wv.

Qu tipo de trabajo se realiza en este caso?

-Trabajo de Cambio de Flujo:

Es la energa requerida para extraer masa de un VC, se presenta solamente en los VC. (no representa a la definicin de trabajo y se trata de una propiedad)

8.5 ENTALPIA:

Es el resultado de combinar dos propiedades.Donde: U : energa internaP x V : trabajo por desplazamiento

Es una propiedad extensiva:

No tiene significado fsico slo facilita el anlisis.

Cuando algn portador de energa est detenido (o parado) trabajaremos con la energa interna, pero cuando se mueve, como por ejemplo el agua de la manguera, trabajaremos con entalpa.

8.6 CICLO:

Cuando regresa otra vez al estado inicial y se puede repetir indefinidamente.

En un ciclo termodinmico se cumple:Hay ciclos positivos y negativos

Ciclo Positivo: sentido horario.

Ejemplo: Mquinas Trmicas o Motores.

Ciclo Negativo: sentido antihorario.

Ejemplo: Mquinas Refrigeradoras

RESUMEN

TRABAJO DE CAMBIO DE VOLUMEN W vPROCESO SUSTANCIA PURA GAS IDEALISOBRICOP=CTE

PROCESO SUSTANCIA PURA GAS IDEALISOCRICOV=CTEPROCESO SUSTANCIA PURA GAS IDEALISOTRMICOT=CTE

PROCESO SUSTANCIA PURA GAS IDEALPOLITRPICOPvn =CTE

1.Cincuenta kg de etileno estn contenidos en un sistema a las condiciones iniciales de 10.24MPa y 50C; dicha sustancia realiza un proceso isobrico hasta una temperatura de 122C. Se pide determinar el trabajo de cambio de volumen realizado durante el proceso, en kJ.PROBLEMAS DE TRABAJO

2.Un globo esfrico tiene un dimetro de 20cm y contiene aire a 1.2bar; se le suministra calor de tal forma que el dimetro del globo aumenta hasta 40cm. Si durante este proceso la presin del aire contenido en el globo es proporcional a su dimetro y se supone que el proceso es cuasiesttico, se pide determinar el trabajo desarrollado durante el proceso, en kJ.

3.Demostrar que para cualquier gas ideal que realiza un proceso politrpico Pvn,

4.Se tiene 0.8kg de H2o a 1 bar y x=15%, se encuentra encerrado en el recipiente mostrado. Se le transfiere calor hasta que la Presin es de 6bar. Si la presin necesaria para equilibrar el pistn es de 2bar, se pide:a)Determinar si al final se tiene: vapor hmedo o sobrecalentadob)Graficar los procesos en los diagramas P-v y T-vc)Hallar el trabajo de cambio de volumen.

5.El dispositivo cilindro-pistn mostrado contiene 0.5kg de Nitrgeno, inicialmente a 1bar y 27C. En la posicin mostrada el pistn se encuentra apoyado en los topes inferiores y el resorte, que se encuentra en su posicin natural, no ejerce presin sobre el pistn. Asumiendo que los procesos son cuasiestticos y que el proceso finaliza cuando la presin del nitrgeno es de 5bar, se pide determinar el trabajo total efectuado en kJ, y graficar los procesos en el diagrama P-v.

6.El dispositivo mostrado en la figura contiene inicialmente cierto gas ideal (R=0.189kJ/kg-K) a 6bar y 300C. La dimensin a es inicialmente 20cm. El gas comienza a enfriarse lentamente y el pistn se desplaza hacia la izquierda hasta que a=12cm. Si se supone que el proceso es cuasiesttico, se pide determinar:a)La temperatura final del agua en C.b) El trabajo de cambio de volumen efectuado en kJ.

8.Un sistema contiene 4kg de aire inicialmente a 1bar y 27C, realiza un ciclo compuesto por los siguientes procesos politrpicos: (1-2): n =k ; (2-3): n =1;(3-4): n =0; (4-1): n =-0.5. Se pide determinar el trabajo neto del ciclo, en kJ, si se sabe que V1 = 4V2 = V3.

9.Cinco kg de aire (considere como gas ideal) inicialmente a 4 bar y 227C, realizan el siguiente ciclo reversible:1-2: Compresin politrpica 2-3: Expansin adiabtica 3-1: Proceso IscoroSi durante la compresin politrpica se suministra al sistema un trabajo de cambio de volumen de 200kJ y se transfiere 450kJ de calor al medio ambiente, se pide:a)Determinar el trabajo neto del ciclo, en kJ. b)Determinar el calor neto del ciclo, en kJ.c)Graficar el ciclo en un diagrama P-v d)Decir si se trata de un ciclo positivo o negativo.

10.Diez kg de agua (sustancia pura) realiza un ciclo compuesto por los siguientes procesos: 1-2: calentamiento iscoro 2-3: proceso isobrico hasta lquido saturado3-1: proceso Pvn =cte Si P1 = 100kPa, V2=0.4175m3 y T3=295.06C, se pide:a)Tabular las P(kPa), V(m3) y T(C)b)Determinar el trabajo neto del ciclo en kJc)Graficar el ciclo en el diagrama P-vd)Calcular la sumatoria de calores, en kJ.

11.Cinco kg de cierto gas ideal (Cp=1.2kJ/kg-K y Cv=1kJ/kg-k) inicialmente a 100kPa y 27C, realizan los siguientes procesos reversibles:(1-2): politrpico (2-3): adiabtico hasta P3=150kPa (3-4): isocrico (4-1): isobricoSi se sabe que durante el proceso politrpico (1-2) se suministran 1200kJ de trabajo de cambio de volumen y 1800kJ de calor, se pide:a)Determinar los calores transferidos en los procesos (3-4) y (4-1), en kJ.b)Graficar el ciclo en el diagrama P-vc)Decir si es un ciclo positivo o negativo.