M.E

SW(-)

W(+)

M.E

SQ(+)

Q(-)

TRABAJO - CALOR - 1RA LEY

Energa.- Es la capacidad latente o manifiesta de una propiedad termodinmica capaz de

producir trabajo, transformar, poner en movimiento.

Todos los cuerpos, pueden poseer energa debido a su movimiento, a su composicin

qumica, a su posicin, a su temperatura, a su masa y a algunas otras propiedades.

Clasificacin

Para un mejor estudio la energa se puede clasificar en dos grandes grupos:

Energas almacenadas.- Dentro de estas se encuentran las siguientes:

Energa cintica

Energa potencial

Energa interna

Energa elctrica

Energa magntica

Energa qumica

Energas en trnsito.- Son formas de energa que aparece solamente cuando est

desarrollando los procesos termodinmicos. Estas formas de energa son el calor y el

trabajo.

DEFINICIN DE TRABAJO Y CALOR

Son intercambios energticos que tienen lugar como consecuencia de las

interacciones que pueden experimentar los sistemas termodinmicos.

Tanto el calor como el trabajo son manifestaciones externas de la energa y

nicamente se evidencian en las fronteras de los sistemas y solamente

aparecern cuando estos experimenten cambios en sus estados termodinmicos.

En las interacciones que experimentan los sistemas, estos pueden recibir o ceder

energa.

SIGNOS. Convencionalmente; el trabajo que proporciona el sistema se considera

positivo y el que recibe negativo. As mismo, el calor suministrado al sistema se

considera positivo y el cedido por l ser negativo.

CAMBIO DE ESTADO DE UN SISTEMA DEBIDO A CALOR Y TRABAJO

Los cambios de estado en un sistema son producidos por interacciones con el entorno o

medio a travs del calor y del trabajo, que son dos distintos modos de la transferencia de

energa.

Durante estas interacciones es necesario considerar equilibrio termodinmico (un proceso

esttico o cuasiesttico) para que las ecuaciones sean vlidas al relacionar una con otra

las propiedades del sistema.

CALOR

El calor es una forma de transferencia de energa debido nicamente a la diferencia de

temperatura.

La transferencia de calor puede alterar el estado del sistema;

Los cuerpos no contienen calor; el calor es energa en trnsito y se identifica

mientras sta pasa a travs de los lmites del sistema;

La cantidad de calor necesaria para ir de un estado a otro es dependiente de la

trayectoria;

Los procesos adiabticos son aquellos en los que no se transfiere calor.

Un depsito de calor, aunque mal empleado el trmino pues el calor no se deposita o

almacena ya que siempre est en trnsito, es un cuerpo capaz de absorber o desprender

cantidades ilimitadas de calor sin ningn cambio de temperatura. La atmsfera y los

ocanos se aproximan a lo que son los depsitos de calor, por lo general utilizados como

sumideros de calor. Un horno y un reactor nuclear en funcionamiento continuo son

equivalentes a los depsitos de calor.

TRABAJO

DEFINICIN MECNICA DE TRABAJO.

El trabajo mecnico ocurre cuando una fuerza que acta sobre el sistema lo mueve una

cierta distancia en direccin de la fuerza. Tal como en mecnica este trabajo se define por

la integral.

DEFINICIN TERMODINMICA DE TRABAJO

Como se indic, el calor es una manera de transferencia de energa en un sistema en

virtud solamente de la diferencia de temperatura. Cualquier otro mecanismo de

transferencia de energa en un sistema se llama trabajo.

En termodinmica, a menudo se encuentra trabajo efectuado por una fuerza distribuida

sobre un rea, por ejemplo, por una presin P que acta a travs de un volumen V, como

en el caso de una presin de fluido ejercida sobre un pistn. En esta situacin, el trabajo

diferencial se expresa ms convenientemente como:

(Trabajo mecnico que se asocia

con el movimiento de la frontera

de un dispositivo cilindro-pistn).

Para lo cual se hace preciso el conocimiento de la funcin P = P(V) que relacione la

presin con el volumen a lo largo de todo el proceso de interaccin.

El trabajo de la frontera realizado durante

un proceso depende de la trayectoria

seguida y de los estados extremos.

Trabajo por unidad de masa

INTERPRETACION GEOMETRICA DEL TRABAJO.- Viene dado por la representacin

del trabajo en un diagrama Pv

PV

P =P1 21

V2V1

2

T1

T2

(Para gases ideales)

TRABAJO AL LIMITE MOVIL PARA UN PROCESO

1. Proceso isobrico (P = cte.)

2. Proceso isomtrico (V=cte.)

3. Proceso isotrmico (T=cte.)

4. Proceso Adiabtico (Q = 0)

Al despejar la presin e integrar en la frmula del trabajo tenemos:

En el numerador, podemos tomar en el primer trmino y en el

segundo trmino y as obtener:

; kJ/kg Para gases ideales

RW

I

W=I .R.t2

I=intensidad corriente

R=resist. elect.

t=tiempo

OTRAS FORMAS DE ENERGA

a. Trabajo al eje

b. Trabajo elctrico

c. Trabajo de un resorte

PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA

Conservacin de la Energa

En la seccin anterior hemos hablado de calor y trabajo, y cmo estos mecanismos

pueden provocar cambios en el estado de un sistema. En la siguiente seccin

presentamos La Primera Ley de la Termodinmica para cuantificar esos cambios.

Es muy difcil dar una definicin concreta y contundente de energa, ya que la energa no

es un ente fsico real, ni una "sustancia intangible" sino slo un nmero escalar que se le

asigna al estado del sistema fsico, es decir, la energa es una herramienta o abstraccin

matemtica de una propiedad de los sistemas.

Debe quedar claro que la energa es una propiedad y sus diferentes manifestaciones es lo

que comnmente llamamos diferentes formas de energa. Es un error, tal vez con poca

importancia pero muy recurrente, hablar de energas, como ejemplo Energas

Renovables, ya que slo existe el concepto energa (de manera singular) lo correcto ser

Fuentes Renovables de Energa.

PRIMERA LEY EN UN SISTEMA

Establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien ste intercambia calor con

otro, la energa interna del sistema cambia. Es decir "La energa ni se crea ni se

destruye; solo se transforma".

Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energa necesaria que debe

intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energa interna.

La ecuacin general de la conservacin de la energa es la siguiente:

Que aplicada a la termodinmica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinmico,

queda de la forma:

Donde U es la energa interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al

sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.

PROBLEMAS

1) Un recipiente rgido y hermtico de 68 dm3 contiene una mezcla lquido - vapor

de agua a 10 bar, se transfiere calor al recipiente hasta conseguir vapor saturado

a 17,5 bar. Determine el calor transferido.

2) Un cilindro que est provisto de un pistn libre de friccin, contiene 5kg de vapor

de refrigerante R134a, sobrecalentado, a 1000 kPa y 140C. Este dispositivo se

enfra a presin constante hasta que el R134a alcanza la calidad de 25%.

Calcule el trabajo que se realiza en el proceso.

3) Un Cilindro cuyo embolo se desplaza en su parte inferior se encuentra a una

presin inicial de 1,9 bar y 23C de temperatura el mismo que contiene 1,2 Kg de

aire. Si el volumen final es 4 veces el volumen inicial. Determine.

a. El trabajo realizado en KJ cuando la temperatura se mantiene constante

b. El trabajo realizado en KJ cuando la presin se mantiene constante

c. Grafique el proceso isotrmico indicando valores, en un diagrama p-v

4) En un sistema cerrado un gas se expande en un proceso de cuasiequilibrio

desde un volumen de 0,150 m3 y una presin de 120 Kpa hasta un volumen de

0,25 m3 de forma tal que P(V + 0,030) = cte., donde V est expresado en m3.

Determinar:

a. El trabajo realizado, (kJ)

b. Indicar el trabajo realizado en un diagrama P-v

5) Una masa de 200 g de agua en estado lquido saturado es completamente

vaporizada a presin constante de 100 kPa. Determine:

a. El calor necesario para evaporar el agua, en kJ

b. El trabajo realizado durante el proceso, en kJ

c. La variacin de la entalpia, en kJ

6) Tres kilogramos de vapor hmedo, de agua, estn contenidos en un sistema

cilindro - pistn a 60C con 10% de calidad. Se transfiere calor al agua y cuando

esta alcanza 0,2 MPa de presin, el pistn comienza a separarse de los topes.

La transferencia de calor prosigue hasta alcanzar la temperatura de 150C.

Determine:

a. El trabajo realizado por el agua; en kJ.

b. Si la presin atmosfrica es de 103 kPa, cul es el trabajo hecho contra la

atmsfera; en kJ.

c. El calor transferido, en kJ.

d. Mostrar el proceso en un diagrama P v

7) Un dispositivo cilindro- mbolo contiene 0,05 m3 de un gas que se halla

inicialmente a 200 kPa. En este estado un resorte lineal que tiene una constante

de 150 kN/m est en contacto con el mbolo sin ejercer fuerza alguna sobre l.

Despus se transfiere calor al gas de modo que el embolo sube y comprime el

resorte hasta que el volumen dentro del cilindro se duplica. Si el rea de la

seccin transversal del mbolo es 0,25 m2, determine:

a. La presin final del cilindro

b. El trabajo total hecho por el gas

c. El trabajo contra el resorte para comprimirlo

8) En un sistema cerrado hay helio (R=2,07703 kJ/kg ; Cv = 3,1156 kJ/kg K) que

pasa por un ciclo compuesto por los tres procesos siguientes, internamente

reversibles:

Una expansin isobrica de 300 kPa desde 293.15 K hasta 418.15 K

Un enfriamiento con n = hasta 293.15 K

Una compresin isotrmica hasta 300 kPa.

Se pide:

a. Graficar el ciclo en un diagrama P-v

b. El calor agregado (qA), por kg de helio

c. El calor evacuado (qB), por kg de helio

d. La eficiencia trmica del ciclo ( = 1- |qB|/qA )

9) Un globo esfrico tiene un dimetro de 15cm y contiene oxgeno a 1,5 bar.

Debido al calor captado por radiacin despus de cierto tiempo, su dimetro

aumenta a 30cm. Durante el proceso la presin es proporcional al dimetro, Si el

proceso es cuasi- esttico y, la presin atmosfrica es de 101.3 Kpa determine.

a. El trabajo total realizado por el gas en KJ.

b. El trabajo realizado por el gas sobre la atmosfera en KJ.

10) Un sistema que contiene 2Kg de vapor de agua saturado, a 0,225 MPa realiza un

proceso de expansin regido por la ecuacin pv1,3 = cte. hasta que su volumen se

incrementa en 36,6%. Determine:

a) La temperatura final en C

b) El trabajo realizado en KJ

c) El calor transferido en KJ

11) Una masa de 1.2 kg de aire a 150 kPa y 12C est contenido en dispositivo hermtico de

gas de cilindro-mbolo sin friccin. Despus el aire se comprime hasta una presin final

de 600 kPa. Durante el proceso se trasfiere calor desde el aire para que la temperatura

en el interior del cilindro se mantenga constante. Calcule el trabajo realizado durante este

proceso.

12) Un dispositivo de cilindro-mbolo con un conjunto de topes en la parte superior contiene

3 kg de agua lquida saturada a 200 kPa. Se transfiere calor al agua, lo cual provoca que

una parte del lquido se evapore y mueva el mbolo hacia arriba. Cuando el mbolo

alcanza los topes el volumen encerrado es 60 litros. Se aade ms calor hasta que se

duplica la presin. Calcule el trabajo y la transferencia de calor durante el proceso.

13) Una masa de 0,5 kg de un gas est contenido en un dispositivo cilindro pistn.

Inicialmente la cara interna del pistn est en X = 0 y el resorte no ejerce fuerza alguna

sobre el pistn. Se transfiere calor al sistema y el gas se expande elevando en ese

momento al pistn hasta que choca con los topes y X = 0,05 m. La fuerza del resorte es

directamente proporcional al desplazamiento (F = KX) donde K = 10000 N/m. El

rozamiento entre el pistn y el cilindro es despreciable.

Adems: g = 9.8m/s2, Patm = 1bar, rea del pistn es de 0,0078m2, masa del pistn es de

10kg. Determinar:

a. El trabajo realizado por el gas, en kJ

b. El calor transferido, en kJ si las energas internas especficas del gas en el

estado inicial y final son de 214kJ/kg y 337kJ/kg respectivamente.

c. Mostrar el proceso en un diagrama P-v