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UNIVERSIDAD ABIERTA Y A DISTANCIA DE MEXICO

Alumno: Edmundo Agustín Resendes Mondragn

Matr!"ula A#$%&%''&%

Mater!a Termod!namí"a

Evidencia de aprendizaje

Resumen Un!dad $

 

Se llama masa de control a los sistemas cerrados. Los sistemas cerrados no permiten el intercambio de

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masa. El volumen y la energía podrán cambiar, pero la masa es la misma en todo proceso llevado a

cabo en este tipo de sistema, por esto, es posible controlar esta variable.

Se llama volumen de control a un sistema abierto. Un sistema abierto intercambia masa con sus

alrededores, por esta razón es mejor tener en consideración un volumen que delimite al sistema.

las !ronteras de cualquiera de estos sistemas las llamaremos, super"cies de control.

la primera ley establece que en un sistema cerrado

# $ % & 'E

(onde 'E es el incremento o decremento de energía del sistema, # es el calor suministrado o

e)traído del sistema y % el trabajo *ec*o por, o ejercido sobre el sistema+.

El lado izquierdo de la ecuación muestra al calor intercambiado entre el sistema y todas las !uentes en

contacto con l además al trabajo total *ec*o por el sistema o sobre l, que puede ser de diversa

naturaleza -químico, elctrico, mecánico, etc., incluso se compone del trabajo que se realizará sobre

los alrededores. /ientras que el lado derec*o de la misma ecuación corresponde a la variación de

todos los tipos de energía del sistema. Estos pueden ser cambios de energía potencial, cintica, interna,

magntica, etc.

0onsiderando las !uerzas e)ternas -gravitacionales, magnticas, elctricas, etc.

# $ % & 'U 1 '2E 1 '3E 1 ....

quí, U es la energía interna del sistema, 2E es la energía cintica y 3E la energía potencial,

así se indica que deben sumarse todas las variaciones de energía que tengan lugar .

4.5 El análisis e)ergtico es un mtodo que utiliza la conservación de la masa y energía junto con la

segunda ley de la termodinámica para el dise6o de sistemas trmicos que tengan la e"ciencia má)ima

posible .

E)ergía es el má)imo trabajo teórico obtenible a medida que un sistema llega al equilibrio con su

entorno una vez que se ponen en contacto entre sí .

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El estado muerto es aquel del que ya no se puede obtener e)ergía debido a que el sistema *a llegado al

equilibrio termodinámico con el entorno.

La energía utilizable o e)ergía está relacionada con el equilibrio o desequilibrio de un sistema con su

entorno, esto signi"ca que depende de la variable de dos sistemas como mínimo.

el estado muerto marca el estado del que nos es imposible e)traer trabajo de un sistema y este

depende del medio ambiente que le rodea.

Un proceso reversible es aquel que una vez que sucede, al realizarlo de manera inversa, todas las

propiedades del sistema y de los alrededores regresan a sus valores iniciales.

Un proceso irreversible produce e!ectos que no se pueden des*acer por lo que no es posible que el

sistema y su entorno regresen al estado original. En este tipo de procesos, la energía del sistema que

puede convertirse en trabajo decrece.

7ay una manera de evaluar cuantitativamente la irreversibilidad de un proceso realizado sobre un

sistema, -8olle, 499:; lo veremos a continuación.

0onsideremos un sistema que realiza un proceso real, en general irreversible. (e"nimos la

irreversibilidad de un proceso como

<& % ma) $ % real

Siendo %má) el trabajo má)imo posible, %real es el trabajo =til desarrollado realmente en el proceso.

En general, el sistema puede intercambiar calor con varios depósitos de energía, así como con el

entorno. El trabajo má)imo debe calcularse bajo las siguientes condiciones>

+ #ue los procesos se lleven a cabo entre los mismos estados inicial y "nal,

4 #ue el intercambio de calor entre los depósitos de energía sea el mismo para los dos procesos.

? (ebe considerarse el intercambio de calor con el entorno si !uera el caso.

3ara calcular el trabajo má)imo que se puede obtener y corresponde al trabajo reversible, se tiene la

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ecuación %util & @atm -S45S+ 5 3atm -A4 $ A+ 5 'E, la ecuación puede escribirse como

%ma) & @9'S $ p9'A 5 'E

3ara el proceso real e)iste una e)presión similar y los incrementos de volumen, así como el

de energía que continuan teniendo las mismas e)presiones que en la ecuación de arriba, pero el

incremento de entropía no sólo se debe a la di!erencia entre la entropía "nal e inicial del

sistema, ya que en el proceso se pudo *aber generado entropía gracias a las implicaciones de

la segunda ley de la termodinámica para procesos irreversible. En otras palabras, el trabajo real está

dado por donde el incremento en la entropía se debe a la parte reversible y la otra a la parte irreversible.

l *acer la di!erencia entre sta e)presión y tendremos que la irreversibilidad viene dada por

%real & @9'S rev 1 @9'S irrev 1 5p9'A $ 'E

El incremento en la entropía se debe a la parte reversible y la otra a la parte irreversible.

l *acer la di!erencia entre sta e)presión y tendremos que la irreversibilidad viene dada por

< & @9'S irrev

La parte irreversible del incremento de entropía se llega a generar tanto en el sistema como en

el entorno. 0on!orme a la segunda ley de la termodinámica, este aumento de entropía es positivo, tal

que la irreversibilidad de un proceso real es siempre positiva. En otras palabras , el trabajo má)imo

obtenido siempre es mayor que el trabajo real, por lo que siempre e)istirá destrucción de e)ergía.

 (e estas conclusiones podemos decir que cualquier proceso real es destructor de e)ergía.

La evaluación de la e)ergía destruida puede *acerse con la siguiente ecuación>

El lado derec*o de esta ecuación es el intercambio de e)ergía de modo que, agrupando

trminos con # se encuentra así el intercambio de e)ergía para una masa de control.

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Bo e)iste una ley de conservación de la e)ergía. 3or tanto, para poder realizar un balance de e)ergía

debemos incluir el trmino correspondiente a la prdida de e)ergía. El balance de e)ergía se e)presa

mediante la siguiente ecuación>

donde>

•  y son las e)ergías de la materia que entra y sale del sistema, respectivamente

•  es el incremento de e)ergía del sistema

•  es el incremento de e)ergía del !oco caliente que está en contacto con el sistema

•  es el trabajo desarrollado por el sistema

•  es la prdida interna de e)ergía del sistema

La disminución de la e)ergía del !oco caliente puede calcularse empleando un ciclo reversible de

0arnot, que usa el entorno como !oco !río. Si cambiamos los signos, obtenemos el incremento de

e)ergía>

donde>

•  es la cantidad de calor que toma el sistema del !oco caliente

•  es la temperatura del !oco caliente

El sistema que estemos considerando debe tener unos límites determinados. Las temperaturas de los

!ocos calientes que interact=an con el sistema deben ser medidas en la !rontera del sistema, justo

donde tiene lugar la trans!erencia de calor.

En un proceso en estado estacionario, con velocidad de Cujo constante, composición química

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constante, etc, tenemos que>

y por tanto el balance de e)ergía se reduce a>

donde los trminos con punto indican cantidades por unidad de tiempo.

La e)ergía comprende tanto a la e)ergía de los productos =tiles, , como a la e)ergía de los

residuos, . 0omo se se6aló anteriormente, la e)ergía de los residuos es la prdida e)terna de

e)ergía. Luego>

La cantidad se puede dividir en tambin en estos dos trminos> y . 0omo

ejemplo podemos poner el caso de un *ervidor. En el arranque, se produce un aumento de la e)ergía al

calentar el Cuido. Sin embargo, cuando se pare el equipo, este aumento de la e)ergía no se podrá

aprovec*ar, porque el Cuido se en!riará de nuevo *asta la temperatura ambiente. Luego ese incremento

inicial de e)ergía no es aprovec*able.

Los componentes del balance de e)ergía pueden dividirse en tres categorías>

•E)ergía de los productos =tiles

• 3rdidas de e)ergía

• E)ergía de la materia que entra al sistema

Se de"ne el grado de perfección , , como>

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El denominador de la ecuación e)presa la e)ergía aportada al sistema en estado estacionario. En el

caso de que el sistema no se encuentre en estado estacionario, *ay que tener en cuenta la e)ergía del

sistema al inicio y al "nal del período de estudio. La e)presión matemática del grado de perfección  

queda como sigue>

donde>

•  es la e)ergía =til de los productos del proceso

•  es la e)ergía aportada al sistema

•  es el incremento de la e)ergía =til del !oco caliente

•  es la disminución de la e)ergía del !oco caliente -

•  es el trabajo =til desarrollado por el sistema

•  es el trabajo aportado al proceso -

•  es la e)ergía del sistema al inicio del proceso

•  es la e)ergía =til del sistema al "nal del proceso

En algunos proceso el parámetro no es demasiado =til, y se emplea en su lugar la eciencia

exergética , >

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La eciencia exergética  puede e)presarse matemáticamente del siguiente modo>

donde>

•  es la e)ergía de las sustancias que entran al proceso, que no son !uente de energía pero

que contribuyen al producto =til del proceso -y por tanto a la e)ergía =til de este producto

•  es la e)ergía de las sustancias que entran en el sistema, y que son !uentes de energía

aprovec*ables -como el !uel

•  es el incremento de la e)ergía =til del sistema

La e"ciencia e)ergtica es siempre in!erior a la unidad, e)cepto en el caso de un proceso reversible e

ideal, en el que es igual a la unidad. 3or ejemplo, la e"ciencia e)ergtica de un ciclo ideal de 0arnot es

siempre igual a la unidad, independientemente de los valores de las temperaturas de los !ocos entre los

que opera el ciclo.

@eniendo en cuenta esto, podemos calcular la e"ciencia e)ergtica de cualquier proceso trmico como

la relación entre el rendimiento energtico real y el rendimiento energtico má)imo -que viene dado por

un ciclo de 0arnot operando entre los mismos !ocos que el proceso real. En el caso de una máquina

trmica>

donde>

•  es el trabajo =til desarrollado por la máquina

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•  es la disminución de la e)ergía del !oco caliente

•  es el rendimiento energtico de la máquina real

•  es el rendimiento energtico de un ciclo de 0arnot operando entre los mismos !ocos que

la máquina real

(e la misma manera, para una bomba de calor -o un re!rigerador>

La ecuación puede aplicarse tanto a una bomba de calor como a un re!rigerador, pero teniendo en

cuenta los signos de cada trmino. 3ara un re!rigerador, pero . 3or tanto,

. En cambio, en una bomba de calor, , pero ; por tanto

.

FUNTES DE CONSULTA

D /oran, /. . y S*apiro, 7. B. -499F. Gundamentals o! engineering t*ermodynamics.

Haed. <nglaterra> o*n %iley I Sons.

D 8olle, 2. 0. -499:. @*ermodynamic and *eat poJer. Ha ed. US> 3earson 3rentice 7all.