*INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TACÁMBARO.

INGENIERÍA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS.

“PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA”

PROFESOR: URIEL OLIVARES MOLINA. *ALUMNOS:

MEJÍA SAUCEDO GABRIELA. OROZCO VICTORIA CLAUDIA LETICIA.

*TORRES ÁVILA RICARDO.*GUTIÉRREZ RAMOS SALVADOR.

♥ JAMES PRESCOTT JOULE.

 (1818 - 1889).Físico británico. Uno de los más notables físicos de su época, es conocido sobre

todo por su investigación en

electricidad y termodinámica.

En el transcurso de sus

investigaciones sobre el calor

desprendido en un circuito

eléctrico, formuló la ley

actualmente conocida como ley

de Joule.

La cual establece que la cantidad de calor producida en un conductor por el paso de una corriente eléctrica

cada segundo, es proporcional a la resistencia del conductor y al cuadrado

de la intensidad de corriente.

*Joule verificó experimentalmente la ley de la conservación

de energía en su estudio de la

conversión de energía mecánica en energía

térmica.

La unidad de energía denominada julio se llama así en su honor;

equivale a 1 vatio - segundo. Junto con el físico William Thomson

(posteriormente lord Kelvin), Joule descubrió que la temperatura de

un gas desciende cuando se expande sin realizar ningún

trabajo. Este fenómeno, se conoce como efecto Joule.

primera ley de la termodinámica

También, conocida como el principio de conservación de la energía, afirma que

la energía no puede crearse ni destruirse; solo puede cambiar de forma.

El principio de conservación

de la energía para cualquier

sistema que pasa por cualquier

proceso se puede expresar de

la siguiente manera:

El cambio neto en la energía total del sistema

durante un proceso es igual a la diferencia entre la

energía total que entra y la energía total que sale del

sistema durante dicho proceso.

Energía totalque entra en

el sistema.

• Energía totalQue sale del

Sistema.

• Cambio en laenergía total del sistema.

Formas de energía:

La energía total de un sistema tiene 3 componentes:

Energía cinética.

Energía potencial.

♥Energía interna.

ENERGÍA CINÉTICA.

Es aquella debida al movimiento traslacional del sistema como un todo en relación con determinado

marco de referencia (por lo general la superficie terrestre) o a la rotación del sistema en torno a

un eje.

La energía cinética, Eκ(J) de un objeto de masa m(kg) que se

mueve con velocidad u(m/s) en relación con la superficie de la

tierra es:

* Ek = mu²

Si un fluido entra a un sistema con una velocidad de flujo másico m(kg/s) a velocidad

uniforme u(m/s), se tiene que:

♥Ek = mu²Ek(J/s) se puede considerar

como la velocidad a la cual el fluido transporta la energía

cinética al sistema.

*Energía Potencial.

Se debe a la posición del sistema en un campo de potencia (gravitacional o

electromagnético).

La energía potencial gravitacional de un

objeto de masa m es:

Ep = mgz

DONDE:

g es la aceleración de la gravedad y z es la altura del

objeto por arriba de un plano de referencia, en el

cual Ep se define de manera arbitraria como cero.

Si el fluido entra a un sistema con velocidad de flujo másico m y elevación z en relación con el plano de referencia de energía

potencial, entonces:

Ep = mgz

Ep(J/s) puede considerarse, en consecuencia, como la

velocidad a la cual el fluido transporta a la energía gravitacional hacia el

sistema.

Por lo general nos interesa el cambio de energía potencial cuando un cuerpo o fluido se desplaza de una elevación a

otra.

[Ep2 - Ep1 = mg(z2 - z1)].

*Energía Interna.Es la que posee un sistema

además de sus energías cinética y potencial, por ejemplo: la debida al movimiento de las

moléculas en relación al centro de masa del sistema, al movimiento rotacional y

vibracional y a las interacciones electromagnéticas de las

moléculas.

Así mismo al movimiento e interacciones de los

constituyentes atómicos y subatómicos de estas

ultimas.

Supongamos que un sistema de proceso es

cerrado, es decir, no hay transferencia de masa a través de sus fronteras mientras el proceso se

realiza.

La energía puede

transmitirse entre un

sistema de este tipo y

sus alrededores de

dos maneras:

*EN FORMA DE CALOR O ENERGÍA:

Que fluye como resultado de la diferencia de temperatura entre

el sistema y sus alrededores.La dirección del flujo siempre es de la temperatura mas alta a la

mas baja. El calor se define como positivo cuando se transfiere de

los alrededores al sistema.

*COMO TRABAJO O ENERGÍA:

Que fluye en respuesta a cualquier fuerza impulsora que no sea una diferencia de temperatura, como una

fuerza, una torque (momento de torsión) o un

voltaje.

Por ejemplo, si un gas se expande dentro de un cilindro y

mueve un pistón contra una fuerza restrictiva, el gas realiza

trabajo sobre el pistón (se transfiere energía en forma de

trabajo del gas a sus alrededores, los cuales incluyen

el pistón).

Los términos “trabajo” y “calor” se refieren solo a la

energía que se transfiere: se puede hablar del calor o del

trabajo que se añade o desprende del sistema.

La energía, al igual que el trabajo, tiene unidades de fuerza multiplicada por la

distancia: por ejemplo, Joules (N.m), ergs (dina.cm) y ft.lbf.

También es común usar unidades de energía definidas en términos de la cantidad de calor que debe transferirse a una masa especifica de agua

para aumentar su temperatura en un intervalo especifico a

presión constante de un atm.

TABLA DE LAS UNIDADES MAS COMUNES.

MATEMÁTICAMENTE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA SE

EXPRESA:

ΔU = Q WDonde:

ΔU = variación de la energía interna del sistema expresada en

calorías (cal) o Joules (J).

Q = calor que entra o sale del sistema medido en calorías o

joules.

W = trabajo efectuado por el

sistema o trabajo realizado sobre

éste expresado en calorías o

Joules.

El valor de Q es positivo cuando entra calor al

sistema y negativo si sale de él.

El valor de W es positivo si el sistema realiza trabajo y

negativo si se efectúa trabajo de los alrededores

sobre el sistema.

BALANCE DE ENERGÍA PARA SISTEMAS CERRADOS

Se dice que un sistema es abierto o cerrado dependiendo de que la masa cruce o no las fronteras del sistema durante el tiempo cubierto por

el balance de energía. Por

definición, un sistema de proceso por lotes

es cerrado, y los sistema

semicontinuos o continuos son

abiertos.

*Balance de energía para sistemas cerrados. (masa

fija)

Es posible escribir el balance de energía integral para un sistema cerrado entre los instantes dados, como la energía no puede crearse ni destruirse, los términos de generación y consumo del balance general se cancelan lo cual dejan:

Acumulación = entrada – salida

El termino de acumulación es igual a el valor final de la cantidad balanceada (en este caso la energía del sistema), menos el valor inicial de esta cantidad.

POR LO TANTO LA ECUACIÓN PUEDE ESCRIBIRSE:

acumulación = entrada – salida

Energía final del sistema

Energía inicial del sistema

Energía transferida al sistema (entrada –

salida)

En donde:Energía inicial del sistema = Ui + Eki + EpiEnergía final del sistema = Uf + Ekf + EpfEnergía transferida = Q - W

EN CONSECUENCIA LA ECUACIÓN QUEDA:

Un sistema cerrado consta de una masa fija.

Este es en especial el caso para los sistemas

estacionarios, ya que no comprenden cambios en la

velocidad o elevación durante el proceso.

En ese caso, la relación del balance de energía se reduce a

sistema cerrado estacionario:

Eent - E sal = ΔU = mCvΔT (J) ΔT = (T2 - T1)

EN DONDE:

ΔT = cambio de temperatura

Cv = calor especifico. m = masa. T1 = temperatura inicial. T2 = temperatura final.

Cuando el sistema solo comprende transferencia de calor y ninguna

interacción de trabajo, la relación de balance de energía se reduce

todavía mas.

Sistema cerrado estacionario sin trabajo.

Q = mCvΔT (J) ΔT = (T1 – T2)

Donde Q es la cantidad neta de la transferencia de calor que entra o sale del

sistema.

La anterior es la forma de la relación del balance de

energía que se usara con mas frecuencia al tratar una

masa fija.

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA PARA SISTEMAS ABIERTOS

Por definición, hay masa que atraviesa las fronteras de un sistema de proceso abierto a medida que este

ocurre. Para introducir masa al sistema es necesario realizar trabajo

sobre el mismo y cuando emerge masa del sistema se lleva a cavo

trabajo en los alrededores.

TRABAJO DE FLUJO Y DE FLECHA.

La velocidad neta de trabajo realizado por un sistema abierto sobre sus alrededores se expresa como:

Donde: Ws = trabajo de flecha o velocidad de

trabajo realizado por el fluido del proceso sobre alguna parte móvil dentro del sistema (p.ej. El rotor de una bomba).

Wn = trabajo de flujo o velocidad de trabajo realizado por el fluido en salida del sistema, menos la velocidad de trabajo realizado sobre el fluido en la entrada del sistema.

Para derivar la expresión Wn consideraremos, de inicio, un sistema de entrada y una salida.

El fluido a P entrada (N/) entra a una tubería a velocidad de flujo volumétrico V entrada (/s) y sale a presión P salida (N/) y con una velocidad de flujo volumétrico V

salida (/s)

El fluido que entra al sistema experimenta el trabajo realizado sobre el por el fluido que se encuentra justo detrás, a razón de:

W entrada (N*m/s) = P entrada (N/) V entrada (/s).Mientras que el fluido que sale del sistema lleva a cavo un trabajo sobre los alrededores a razón de: W salida = P salida – V salidaLa velocidad neta sobre la cual el sistema realiza el trabajo en la entrada y en la salida es: Wn = P salida V salida – P entrada V entradaSi varias corrientes de entrada y salida llegan y se van del sistema, los productos PV para cada corriente deben sumarse para determinar Wn.

Una propiedad que se presenta en la ecuación de balance de energía para

sistemas abiertos es la entalpia especifica, que se define como:

Donde P es la presión total U y V son la energía interna y el volumen especifico.

La función de la entalpia es importante en los análisis de sistemas abiertos, sin embargo también se puede demostrar que si un sistema serrado se expande (o contrae) en contra de una presión externa constante, ΔEk y ΔEp son insignificantes, y el único trabajo realizado por o sobre el sistema es de expansión y, entonces la ecuación de balance de energía se reduce a: ΔH = Q

EL BALANCE DE ENERGÍA PARA UN SISTEMA ABIERTO EN ESTADO ESTACIONARIO.

La primera ley de la termodinámica para un sistema abierto en estado estacionario tiene la forma de:

ENTRADA = SALIDA

En este caso la entrada significa la velocidad total de transporte de energía cinética, potencial e interna por todas las corrientes de entrada al proceso, mas la velocidad de transferencia de energía en la entrada en forma de calor, y la salida es la velocidad total de transporte de energía por las corrientes de salida, mas la velocidad de transferencia de energía hacia afuera en forma de trabajo.

En términos de estas cantidades, la ecuación se transforma en:

La ecuación indica que la velocidad neta a la cual se transfiere energía al sistema como calor y/o trabajo de flecha (Q – Ws), es igual a las diferencias entre las velocidades a las cuales la cantidad de (ΔH + ΔEk + Δep)Se transporta hacia afuera o hacia adentro del sistema.

*Balance de energía

para sistemas de

flujo estacionario.

El termino estacionario significa ningún cambio con el

tiempo en una ubicación especifica.

Lo opuesto a estacionario es no estacionario o transitorio.

Asimismo, el termino uniforme implica ningún cambio con la

posición en toda una superficie o región en un tiempo

especifico.

El contenido total de energía de un volumen de control

durante un proceso de flujo estacionario permanece

constante (Evc = constante).

Es decir, el cambio en la energía total del volumen de

control durante un proceso de este tipo es cero. (ΔEvc = 0).

Por lo tanto, la cantidad de energía que entra en un volumen de

control en todas las formas (calor, trabajo y transferencia de masa)

para un proceso de flujo estacionario debe ser igual a la

cantidad de energía que sale de el.

El volumen de un fluido que fluye por un tubo o ducto por unidad de tiempo se llama gasto volumétrico V y se expresa como:

V = °VAc = (/s)

Note que el gasto de masa de un fluido por un tubo o ducto

permanece constante durante el flujo estacionario.

sin embargo, este no es el caso para el gasto volumétrico, a menos

que la densidad del flujo permanezca constante.

Cuando los cambios en las energías cinética y potencial son

despreciables, que es el caso mas común, y no se tiene interacción de trabajo , el balance de energía para tal sistema de flujo estacionario se

reduce a:

Q = mΔh = mCpΔT

𝑚𝑇 1

𝑚𝑇 2

Volumen de centro

Etransferencia = mCp( T2 – T1) (kJ/s)

En don de Q, es la velocidad de la transferencia neta de calor hacia

adentro o hacia afuera del volumen de control.

La anterior es la forma de relación de balance de energía que se usara con la mayor frecuencia

para sistemas de flujo estacionario.

*Balance

superficial de

energía.

Una superficie no contiene volumen ni masa y, por lo tanto,

tampoco energía.

Por lo mismo, una superficie se puede concebir como un sistema ficticio cuyo contenido de energía permanece constante durante un proceso (precisamente como un sistema de estado estacionario o

de flujo estacionario).

Entonces el balance de energía

para una superficie se puede

expresar como:

Balance superficial de energía:

Eent = E sal

Esta condición es valida tanto para condiciones estacionarias

como transitorias.

El balance superficial de energía no comprende generación de calor puesto que una superficie no tiene volumen.

Radiación Q3

Q2 convección

PARED

conducción

Q1

Superficie de control

El balance de energía para la superficie exterior, por ejemplo, se puede expresar como:

Q1 = Q2 + Q3

Donde Q1 es la conducción de la pared hasta la superficie, Q2 es la convección de la superficie hacia el aire del exterior y Q3 es la radiación neta de la superficie hacia los alrededores.

*FUENTES CONSULTADAS. Termodinámica.Cuarta edición.

Yunus A. Cengel. Michael A. Boles.Pág. 164-168.

Transferencia de calorYunus A. CengelSegunda ediciónPág.11-17.

www.fisicanet.com.or/biografias/cientificos/j/Joule.php.

hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hb asees/ke.html

 http://hyperphysics.phy-

astr.gsu.edu/hbasees/thermo/inteng.html

  

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/

pegrav.html