Transferencia de calor,trabajo, calor especifico, enérgia interna, entalpía, calores especifícos de sólidos y líquidos.
Conservación de la masa y de la energía.
Potencia y su medición.
Volúmenes de control.
Análisis termodinámico de volúmenes de control.
Procesos de flujo permanente.
Procesos de flujo no permanente.
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DAISY RAMIREZ*****
ResponderEliminarLa primera ley de la termodinámica o Primer Principio de la termodinámica es una aplicación de la ley universal de conservación de la energía a la termodinámica y, a su vez, identifica el calor como una transferencia de energía. Uno de los enunciados de la primera ley de la termodinámica es el siguiente:
El incremento de la energía interna de un sistema termodinámico es igual a la diferencia entre la cantidad de calor transferida a un sistema y el trabajo realizado por el sistema a sus alrededores.
En su forma matemática más sencilla se puede escribir para cualquier masa de control:
donde ΔU es el incremento de energía interna del sistema, Q es el calor cedido al sistema, y W es el trabajo cedido por el sistema a sus alrededores.
Véase también: Criterio de signos termodinámico
El primer principio de la termodinámica es una ley empírica que no puede demostrarse teóricamente.
Sistemas cerrados:
Un sistema cerrado es uno que no tiene entrada ni salida de masa, también es conocido como masa de control. El sistema cerrado tiene interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, así como puede realizar trabajo de frontera.
La ecuación general para un sistema cerrado (despreciando energía cinética y potencial) es:
Q − W = ΔU
Donde Q es la cantidad total de transferencia de calor hacia o desde el sistema (positiva cuando entra al sistema y negativa cuando sale de éste), W es el trabajo total (negativo cuando entra al sistema y positivo cuando sale de éste) e incluye trabajo eléctrico, mecánico y de frontera; y U es la energía interna del sistema.
Sistemas abiertos
Un sistema abierto es aquel que tiene entrada y/o salida de masa, así como interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, también puede realizar trabajo de frontera.
La ecuación general para un sistema abierto es:
O igualmente:
Q − W + ∑ minθin − ∑ moutθout = ΔEsistema
in out
Donde in representa todas las entradas de masa al sistema; out representa todas las salidas de masa desde el sistema; y θ es la energía por unidad de masa del flujo y comprende entalpía, energía potencial y energía cinética, .
La energía del sistema es
Sistemas abiertos en estado estacionario
El balance de energía se simplifica considerablemente para sistemas en estado estacionario (también conocido como estado estable). En estado estacionario se tiene ΔEsistema = 0, por lo que el balance de energía queda:
Sistema Aislado
Es aquel sistema en el cual no hay intercambio ni de masa ni de energía con el exterior.
La forma de transferencia de energía común para todas las ramas de la física y ampliamente estudiada por éstas, es el trabajo. Dependiendo de la delimitación de los sistemas a estudiar y del enfoque considerado, el trabajo puede ser caracterizado como mecánico, eléctrico, etc. pero su característica principal es el hecho de transmitir energía y que, en general, la cantidad de energía transferida no depende solamente de los estados inicales y finales, sino también de la forma concreta en la que se lleven a cabo los procesos. El calor es la forma de transferencia de un tipo de energía particular, propiamente termodinámica, que es debida únicamente a que los sistemas se encuentren a distintas temperaturas (es algo común en la termodinámica catalogar el trabajo como toda trasferencia de energía que no sea en forma de calor). Los hechos experimentales corroboran que este tipo de transferencia también depende del proceso y no sólo de los estados inicial y final.
Sin embargo, lo que los experimentos sí demuestran es que dado cualquier proceso de cualquier tipo que lleve al sistema de un estado A a otro B, la suma de la energía transferida en forma de trabajo y la energía transferida en forma de calor siempre es la misma. Es decir, que la variación de energía interna del sistema es independiente del proceso que la lleve de un estado a otro. En forma de ecuación y teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico esta ley queda de la forma:
Así, el Primer Principio relaciona magnitudes de proceso (dependientes de éste) como son el trabajo y el calor, con una variable de estado (independiente del proceso) tal como lo es la energía interna.
BERENICE GODOY:::
ResponderEliminarComencemos con una propiedad de llamada Energía. El término energía tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para realizar trabajo, transformar, poner en movimiento.
Todos los cuerpos, pueden poseer energía debido a su movimiento, a su composición química, a su posición, a su temperatura, a su masa y a algunas otras propiedades.
Es muy difícil dar una definición concreta y contundente de energía, ya que la energía no es un ente físico real, ni una "sustancia intangible" sino sólo un número escalar que se le asigna al estado del sistema físico, es decir, la energía es una herramienta o abstracción matemática de una propiedad de los sistemas. Podemos medir las interacciones en el cambio de energía de un sistema, como su velocidad, su temperatura, su carga eléctrica. Debe quedar claro que la energía es una propiedad y sus diferentes manifestaciones es lo que comúnmente llamamos diferentes formas de energía. Es un error, tal vez con poca importancia pero muy recurrente, hablar de energías, como ejemplo Energías Renovables, ya que sólo existe el concepto energía (de manera singular) lo correcto será Fuentes Renovables de Energía.
El uso de la magnitud energía en términos prácticos se justifica porque es mucho más fácil trabajar con magnitudes escalares, como lo es la energía, que con magnitudes vectoriales como la velocidad y la posición. Así, se puede describir completamente la dinámica de un sistema en función de las energías cinética, potencial y de otros tipos de sus componentes.
En la práctica, en las situaciones no-relativistas, se tiende, en primera aproximación (normalmente muy buena), a descomponer la energía total en una suma de términos que se llaman las diferentes formas de la energía.
La energía potencial y la energía cinética son dos elementos a considerar, tanto en la mecánica como en la termodinámica. Estas formas de energía se originan por la posición y el movimiento de un sistema en conjunto, y se conocen como la energía externa del sistema. Sin duda, un tema muy importante en la termodinámica es analizar la energía interior de la materia, energía asociada con el estado interno de un sistema que se llama energía interna. Cuando se especifica un número suficiente de coordenadas termodinámicas, como por ejemplo, temperatura y presión, se determina el estado interno de un sistema y se fija su energía interna [1].
En general (para un sistema no-relativista), la energía total, , de un sistema puede descomponerse en la energía inherente de la masa , la energía cinética , la energía potencial , y la energía interna , esto es,
(15)
donde:
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(17)
la energía potencial depende de los campos externos a los que está sometido el sistema y está dada como función de la posición. La energía interna que considera la energía de las partículas que constituyen el sistema y sus interacciones a corta distancia. En realidad, esta descomposición permite distinguir entre las formas de energía mecánica ( y ) y una forma de energía termodinámica () que tiene sentido para un sistema estadístico constituido por un gran número de partículas.
El cambio de energía total del sistema puede descomponerse en
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donde y representan el cambio de su energía externa (cinética y potencial respectivamente), y representa el cambio de su energía interna, dada por la energía cinética y potencial de las moléculas, átomos y partículas subatómicas que constituyen el sistema.[1].
Como se indicó, la energía interna de un sistema , tiene la forma de energía cinética y potencial de las moléculas, átomos y partículas subatómicas que constituyen el sistema, es decir,
(19)
donde la energía cinética interna es la suma de la energía cinética de todas las partículas del sistema,
(20)
y la energía potencial interna es la suma de la energía potencial debida a la interacción de todas las partículas entre si,
(21)
Pero qué hay respecto a la medición de la energía. Sólo las diferencias de energía, en lugar de los valores absolutos de energía, tienen significado físico, tanto a nivel atómico como en sistemas macroscópicos. Convencionalmente se adopta algún estado particular de un sistema como estado de referencia, la energía del cual se asigna arbitrariamente a cero. La energía de un sistema en cualquier otro estado, relativa a la energía del sistema en el estado de referencia, se llama la energía termodinámica del sistema en ese estado y se denota por el símbolo . [6].
Con base en la observación se llega a las siguientes aseveraciones
1. Existe para cada sistema una propiedad llamada energía . La energía del sistema se puede considerar como la suma de la energía interna , de energía cinética , de energía potencial , y de energía química .
a). Así como la Ley de Cero definió la propiedad `` temperatura'' la Primera Ley define la propiedad llamada ``energía''.
b). En termodinámica, comparado con lo que comúnmente se discute en los curso de física o dinámica, se utilizan los términos energía interna y la energía química para describir el sistema en estudio. Cabe señalar que este curso deja de lado la energía química pero no descuidaremos la energía interna. En la figura () se muestra el movimiento aleatorio o desorganizado de las moléculas de un sistema. Puesto que el movimiento molecular es sobre todo una función de la temperatura, la energía interna es a veces llamada energía térmica.
Figure 12: Incremento de la energía interna como consecuencia de la trasnferencia de calor.
La energía interna por unidad de masa , es una función del estado del sistema. Así
(22)
Recordemos que para sustancias puras el estado entero del sistema está especificado si se consideran dos propiedades.
2. El cambio en energía de un sistema es igual a la diferencia entre el calor agregado al sistema y el trabajo hecho por el sistema,
(las unidades son Joules, ) (23)
donde es la energía del sistema, es el calor suministrado al sistema, y es el trabajo hecho por el sistema, recordemos que
(24)
a). Al igula que la Ley Cero, La primera Ley describe el comportamiento de esta nueva propiedad, la energía [5].
b). La ecuación (23) también se puede escribir con base en unidad por masa, tal que
(25)
c). En muchas situaciones la energía potencial, la energía cinética, y la energía química del sistema son constantes, entonces
(26)
y por tanto podemos escribir
(27)
d). Se observa que y no son funciones de estado, sólo , que es consecuencia del movimiento molecular y que depende del estado del sistema. La energía interna no depende de la ruta o trayectoria que siguió el sistema entre el estado inicial y el estado final. Se debe tener en mente que es independiente de la ruta o trayectoria mientras que y no los son.
Esta diferencia se enfatiza matemáticamente escribiendo
(28)
donde el símbolo se utiliza para denotar que estos son diferenciales inexactas pues dependen de la trayectoria. Para la diferencial esta representa un cambio infinitesimal en el valor de y la integración da una diferencia entre dos valores tal que
(29)
mientras que denota una cantidad infinitesimal y la integración da una cantidad finita tal que
(30)
y
(31)
5. En la convención de signos
se define como positivo si se transfiere hacia el sistema, si el calor se transfiere del sistema hacia los alrededores es negativa
se define como positivo si el trabajo es hecho por el sistema, mientras que si el trabajo se hace sobre el sistema ( desde el medio hacia el sistema) se define como negativo.
6. En los procesos cuasi-estáticos podemos substituir
7. La Primera Ley de la Termodinámica impide la existencia de movimientos perpetuos de primera especie, es decir, aquellos que se alimentan de la energía que ellos mismos producen, sin necesidad de ningún aporte exterior.
La Primera Ley de la Termodinámica identifica el calor como una forma de energía. Esta idea, que hoy nos parece elemental, tardó mucho en abrirse camino y no fue formulada hasta la década de 1840, gracias a las investigaciones de Mayer y de Joule principalmente. Anteriormente, se pensaba que el calor era una sustancia indestructible y sin peso (el calórico) que no tenía nada que ver con la energía.
francisco limon meza
ResponderEliminarPRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
es una aplicación de la ley universal de conservación de la energía a la termodinámica y, a su vez, identifica el calor como una transferencia de energía. Uno de los enunciados de la primera ley de la termodinámica es el siguiente:
El incremento de la energía interna de un sistema termodinámico es igual a la diferencia entre la cantidad de calor transferida a un sistema y el trabajo realizado por el sistema a sus alrededores.
En su forma matemática más sencilla se puede escribir para cualquier masa de control:
donde ΔU es el incremento de energía interna del sistema, Q es el calor cedido al sistema, y W es el trabajo cedido por el sistema a sus alrededores.
TRANSFERENCIA DE CALOR
es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Cuando un cuerpo, por ejemplo, un objeto sólido o un fluido, está a una temperatura diferente de la de su entorno u otro cuerpo, la transferencia de energía térmica, también conocida como transferencia de calor o intercambio de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo y su entorno alcancen equilibrio térmico. La transferencia de calor siempre ocurre desde un cuerpo más caliente a uno más frío, como resultado de la ley cero de la termodinámica. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos en proximidad uno del otro, la transferencia de calor no puede ser detenida; solo puede hacerse más lenta.
CALOR ESPECÍFICO
El calor específico o más formalmente la capacidad calorífica específica de una sustancia es una magnitud física que indica la capacidad de un material para almacenar energía interna en forma de calor.1 De manera formal es la energía necesaria para incrementar en una unidad de temperatura una cantidad de sustancia; usando el SI es la cantidad de julios de energía necesaria para elevar en un 1 K la temperatura de 1 kg de masa.2 Se la representa por lo general con la letra c.
ENERGÍA INTERNA
la energía interna U de un sistema intenta ser un reflejo de la energía a escala microscópica. Más concretamente, es la suma de:
la energía cinética interna, es decir, de las sumas de las energías cinéticas de las individualidades que lo forman respecto al centro de masas del sistema, y de
la energía potencial interna, que es la energía potencial asociada a las interacciones entre estas individualidades.1
Conservación de la energía
Sistema mecánico en el cual se conserva la energía, para choque perfectamente elástico y ausencia de rozamiento.
La ley de la conservación de la energía constituye el primer principio de la termodinámica y afirma que la cantidad total de energía en cualquier sistema aislado (sin interacción con ningún otro sistema) permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede transformarse en otra forma de energía. En resumen, la ley de la conservación de la energía afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo se puede cambiar de una forma a otra, por ejemplo, cuando la energía eléctrica se transforma en energía calorífica en un calefactor.
POTENCIA
Es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo. Esto es equivalente a la velocidad de cambio de energía en un sistema o al tiempo empleado en realizar un trabajo, según queda definido por:
Donde
P es la potencia.
W es la energía total o trabajo.
t es el tiempo.
Potencia mecánica es el trabajo realizado por una máquina o una persona en un determinado intervalo de tiempo
VOLUMEN DE CONTROL
Es una arbitraria del espacio que se erige en objeto de estudio. Es un sistema termodinámico con la propiedad añadida de que se admite la posibilidad de entradas y salida de masa. Por lo demás, el volumen de control intercambia calor con una fuente térmica y trabajo con una o varias fuentes de trabajo.