Termo05 Energia Trabajo Calor

7/24/2019 Termo05 Energia Trabajo Calor

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Termodinmica

Energas:

Trabajo y Calor

Profesor: Freddy J. Rojas, M.Sc.


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Freddy J. Rojas, M.Sc. 2

Energa

Es una propiedad

primitiva.

Es algo que toda lamateria posee.

Capacidad para

desarrollar trabajo.


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Formas de energa

Energa que se

almacenan.

Energa que se

transfieren.

Energa Cintica.(EC)

Energa Potencial.(EP)

Energa Interna.(U)

Trabajo. (W)

Calor.(Q)


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Energas que se almacenan

(sistema)


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Energa potencial

Nos referimos a la energa

potencial gravitacional.

Es una propiedad extensiva.

zgmEP

z

z

Superficie terrestre

mg


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Energa cintica

Es una propiedad delcuerpo.

Es una propiedadextensiva.

Puede calcularseconociendo:

La masa del cuerpo y El valor de su velocidad

instantnea relativa a unsistema especfico decoordenadas.

2

2

1mCEC

Superficie terrestre

C, [m/s]


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Energa Interna

Es la forma de energa almacenada en

un sistema relacionada con la energa

potencial y cintica de las molculas dela sustancia.

Es una propiedad extensiva.

Es la suma de todas las formas deenerga a nivel microscpico


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Energa Interna

ENERGA CINTICA TRASLACIONAL

ENERGA CINTICA ROTACIONAL

ENERGA CINTICA VIBRACIONAL

ENERGA QUMICA


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Energas no almacenables (que

se transfieren)


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Ejemplo: Sistema cerrado

gas

W

4kJ

gas

W

4 kJ

Q

5kJ

Q

3 kJ


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Ejemplo: Sistema abierto

m

m

m

BOMBA

emE

ACVm


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Trabajo

El trabajo es energa transferida sin

transferir masa, a travs de la frontera

del sistema.


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Caractersticas de trabajo

Es funcin de la trayectoria y su diferencial esinexacta.

No es una propiedad termodinmica porquesu magnitud no depende solo de los estadosinicial y final de un proceso, sino de latrayectoria.

Es un fenmeno de frontera, se manifiesta enlos lmites del sistema, es energa que cruzalos lmites.

Es energa no almacenable.


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Convenios de signos y notacin

TRABAJO

HECHOSIGNO

W>0POR EL

SISTEMAPOSITIVO

W


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Trabajo

La transferencia de

trabajo por unidad de

masa.

La tasa de

transferencia de trabajo(potencia tcnica,

potencia en el eje)


m

Ww

tWW

dtWW

2

1


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Formas de trabajo

http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:4-Stroke-Engine.gif


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Trabajo de expansin o compresin

Gas contenido en un cilindro a

una presin Pefecta trabajo

sobre un mbolo mvil cuando

el sistema se expande de un

volumen Va un volumen V+dV.

2

1

PdVW

PdVW

PAdyFdyW

1 2

Trabajo de frontera


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Trabajo de expansin o compresin

2

1

PdVW

PdVW

PAdxFdxW 1

2

Trabajo de frontera


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Trabajo (frontera), diagrama P-V

El trabajo efectuado en

la expansin desde el

estado inicial (1) hasta

el estado final (2) es elrea bajo la curva en

un diagrama P-V.

2

1

PdVWV

P 1

2

dV


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Trabajo (frontera) depende de la

trayectoria

1

2

P

V2V1 V

B

A

C

WC = 5 kJ

WB = 8 kJ

WA=10 kJ


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Trabajo (frontera) neto

1

2

P

V2V1 V

A

C

Wneto


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Otras formas de trabajo

Trabajo de corte

Sistema: eje

GastWdtWW

TNW

2

1

60

2

W


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Trabajo desplazamiento

Sistema: Resorte

2

1

2

2

2

1

2

1xxkW

kxF

FdxW

R

R

R

X0

k

Aire

k

Aire

X1

(Sin considerar la presin

atmosfrica)


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Trabajo elctrico

Cuando el circuito est dentro del sistema

Gas

We

tVIW

VIdtW

VIW

e

e

e

2

1


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Trabajo en procesos



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Trabajo (frontera) para un proceso politrpico (PVn):

H2O

2

1

12

2

1 1

211

2

1

1122

ln

1

VVPPdVW

V

VVPPdVW

n

VPVPPdVW (n 1)

(n=1)

(n=0)


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Trabajo (frontera) para un proceso politrpico (PVn):

gas ideal

1212

2

1

2

1

1

1

2

11

2

1

2

1

121122

lnln

11

TTmRVVPPdVW

P

PmRT

V

VVPPdVW

n

TTmR

n

VPVPPdVW (gas ideal, n 1)

(gas ideal, n=1)

(gas ideal, n=0)


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Problema

Un gas en un dispositivo cilindro-pistnsufre un proceso de expansin para elque la relacin entre la presin y elvolumen viene dada por:PVn=constante. La presin inicial es 3bar (absoluto), el volumen inicial es 0,1

m3

, y el volumen final es 0,2 m3

.Determnese el trabajo, en kJ, para elproceso si: n=1,5


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Solucin

kJxx

W

kPaV

VPP

Sabemos

n

VPVPW

emplazando

VPVPcte

n

VVctedVVctedV

V

ctePdVW

VctePPVcte

n

nn

nn

n

n

n

n

6,175,11

1,03002,0106

1062,0

1,0)300(

:

1

:Re

1

5,1

2

1

12

1122

2211

1

1

1

2

2

1

2

1

2

1


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Calor

El concepto de calor est muy ligado al

concepto de temperatura, sin embargo

no es lo mismo. El calor tambin es unacantidad que tiene que ver con la masa

del sistema como tambin con sus

propiedades fsicas.


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Calor

Es una forma de energa la cual se

manifiesta en virtud a las diferencias de

temperatura entre el estado y elambiente.

Es una forma de energa que se

transfiere entre dos sistemas, o unsistema y sus alrededores, debido a

una diferencia de temperatura.


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Calor

En termodinmica el trmino calor

significa simplemente transferencia de

calor.

calorSistema

cerrado


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Calor

El calor puede ser transferido entre

objetos por diferentes mecanismos:

Radiacin Conduccin

Conveccin


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Calor

El calor que puede intercambiar un

cuerpo con su entorno depende del tipo

de transformacin que se efecte sobreese cuerpo y por tanto depende del

camino. Los cuerpos no tienen calor,

sino energa interna.


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Caractersticas de calor

Es funcin de la trayectoria y su diferencial es

inexacta.

No es una propiedad termodinmica porque su

magnitud no depende solo de los estados inicial yfinal de un proceso, sino de la trayectoria.

Es un fenmeno de frontera, se manifiesta en los

lmites del sistema, es energa que cruza los lmites.

Despus de que entra y sale pierde su significado.

Es energa no almacenable.


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Convenios de signos y notacin

CALOR

TRANSFERIDOSIGNO

Q0 SOBRE ELSISTEMA

POSITIVO


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Calor

La transferencia de

calor por unidad de

masa.

La tasa de

transferencia de calor


m

Qq

tQQ

dtQQ

2

1


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Freddy J Rojas M Sc 38

Problema

En un dispositivo cilindro-pistn orientadocomo se indica en la figura se retieneaire. Inicialmente, V1=2 10

-3 m3, y la carainterna del pistn est en x=0. El muelleno ejerce ninguna fuerza sobre el pistn

en la posicin inicial. La presinatmosfrica es 100 kPa, y el rea de lasuperficie del pistn es 0,018 m2. El airese expande lentamente hasta que suvolumen es V2=3 10

-3 m3. Durante elproceso el muelle ejerce una fuerza sobre

el pistn que vara con x segn F=kdx,donde k= 16,2 103 N/m. no hay friccinentre el pistn y la pared del cilindro.Determnese la presin final del aire, enkPa, y el trabajo hecho por el aire sobreel pistn, en kJ.

X=0 P0=100kPa

A=0,018 m2

k

Aire

Rpta. 150 kPa, +0,125kJ

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