Termodinámica - Primera ley

8/18/2019 Termodinámica - Primera ley

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Carrera de Ingeniería Industrial TERMODINÁMICA

APLICADA

Sesión 2Teoría


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Airefrío

Airecaliente

SISTEMA CERRADO(no hay entrada ni salida

de masa)

SISTEMA AIERTO(hay entrada y salida demasa)

Calentador de aire

Calentador deaire

http://www.google.com.pe/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=CRIpGJFwxdJ1qM&tbnid=7TsnD4NzuFXwEM:&ved=0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fultrawallpapers.org%2Ffondosdepantalla%2Ffondos-de-pantalla-de-secadora-de-cabello%2F&ei=-NQ6U_TeJqe0sQS8poDIAQ&bvm=bv.63934634,d.dmQ&psig=AFQjCNHgPrTEfIdxE27fBSUOCfvOxwGOEw&ust=1396450898971691http://www.google.com.pe/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=CRIpGJFwxdJ1qM&tbnid=7TsnD4NzuFXwEM:&ved=0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fultrawallpapers.org%2Ffondosdepantalla%2Ffondos-de-pantalla-de-secadora-de-cabello%2F&ei=-NQ6U_TeJqe0sQS8poDIAQ&bvm=bv.63934634,d.dmQ&psig=AFQjCNHgPrTEfIdxE27fBSUOCfvOxwGOEw&ust=1396450898971691http://www.google.com.pe/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=CRIpGJFwxdJ1qM&tbnid=7TsnD4NzuFXwEM:&ved=0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fultrawallpapers.org%2Ffondosdepantalla%2Ffondos-de-pantalla-de-secadora-de-cabello%2F&ei=-NQ6U_TeJqe0sQS8poDIAQ&bvm=bv.63934634,d.dmQ&psig=AFQjCNHgPrTEfIdxE27fBSUOCfvOxwGOEw&ust=1396450898971691http://www.google.com.pe/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=CRIpGJFwxdJ1qM&tbnid=7TsnD4NzuFXwEM:&ved=0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fultrawallpapers.org%2Ffondosdepantalla%2Ffondos-de-pantalla-de-secadora-de-cabello%2F&ei=-NQ6U_TeJqe0sQS8poDIAQ&bvm=bv.63934634,d.dmQ&psig=AFQjCNHgPrTEfIdxE27fBSUOCfvOxwGOEw&ust=1396450898971691


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SISTEMA CERRADO

(no hay entrada ni salidade masa)

http://www.google.com.pe/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http://3d-pictures.picphotos.net/fotos-de-moledora-de-ferrucci/2/&ei=mwRMVOWRDYPOggSswYLoDw&bvm=bv.77880786,d.eXY&psig=AFQjCNG1hNun3GrSssj36ac8eJHjY0rsXA&ust=1414354381376995


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Logros

Al finali!ar las sesiones " y #$ el al%mno&

Identifica las diversas formas de energía

Integra las formas de energía y aplica la ecuación de laPRIMERA LEY DE LA TERMDI!"MI#A

Resuelve pro$lemas so$re an%lisis termodin%mico de&I&TEMA& #ERRAD&

#alcula los re'uerimientos de #ALR Y TRA(A) para lareali*ación de procesos de inter+s industrial y,o dom+stico


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1. INTRODUCCIÓN

ENERGIA ALMACENADA

ENERGIA EN TRÁNSITO O TRANSMITIDA

Los sistemas tienen

Los sistemas reciben o entregan

Energa interna

Energa !otencia"

Energa cin#tica

Ca"or

Traba$o'a enería cr%!a la frontera del sistemade dos formas


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%. ENERGIA ALMACENADA EN LOS SISTEMAS

A) ENERG&A INTERNA 'U( U ) *'m+ T+ *ase(

) ENERG&A ,OTENCIAL 'E,(E, ) *' m+ -(

C( ENERG&A CINTICA 'E/(E/ ) *' m+0(


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A( Energa Interna 'U(

'a enería interna es la s%ma de todas las formas microscóicas de

enería de %n sistema* 'os sistemas tienen enería internaDe ac%erdo con la estr%ct%ra y la acti+idad molec%lar$ la enería %edeser

Enerías de traslación (ases)$ rotación (ases y lí,%idos) y +i-ración (sólidos)

'a energía cin+tica molecular es %na arte de la enería interna de

%n sistema

'a energía cin+tica molecular es conocida como enería sensi-le ydeende de la temerat%ra

'a enería sensi-le y la enería latente$ se conoce como energía t+rmica

- . m # / 0T 1 2 T 3 4


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Consieraciones sobre "a Energa Interna 'U('a enería interna se relaciona tam-i.n con di+ersas fuer*as de enlace

/%er!as de enlace entre

mol+culas& m0s f%erte ensólidos y lí,%idos

Energía latente

1ara lorar %n cam-io defase f%sión$ +aori!aciónse de-e 3romer4 las f%er!asmolec%lares

/%er!as de enlace entre%tomos& %ede ser iónicoo co+alente

Energía 'uímicaD%rante %na reacción,%ímica se 3romen4 enlacesy 3se forman4 n%e+osenlaces en las mol.c%las

/%er!as de enlace entre las partículas al interior de %n0tomo y s% n5cleo

Energía nuclear

En %na reacción n%clear el0tomo ierde s% identidad


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2( Energa cin#tica 'E/(

RRes%ltado del mo+imiento

E6 7 m+2 82 ( 9 )e6 7 +2 82 ( 9 8 : )

C( Energa !otencia" 'E,( RRes%ltado de la ele+ación resecto de %n ni+el de referencia

E1 7 m; ( 9 )

e1 7 ; ( 9 8 : )


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C3ano 3n sistema rea"i4a 3n !roceso o !asa !or 3n !roceso s3 energasufre cam$ios

U ) m 3

E, ) m g -

E/ ) m 0%

%

E enería total de %n sistema E . - 5 E P 5 E 6

E sistema . - 5 E P 5 E 6 '5(E +ariación de la enería de

%n sistema d%rante %n roceso


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'os cam-ios de enería ,%e e=erimenta %n sistema d%rante %n

roceso se de-e a s% interacción con el entorno o alrededores

6. TRANS7ERENCIA DE ENERG&A

'a enería 3+ia>a4$ se transorta o se transfiere mediante dos formas&

Calor (?)

Tra-a>o (@)


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Transferencia de calorhacia %n sistema es %na

enería de entrada

Transferencia de calordesde %n sistema es %na

enería de salida

Calor y tra-a>o son cantidades direccionales y la descrición comletade interacciones re,%ieren la esecificación de la manit%d y ladirección


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6.1 TRANS7ERENCIA DE ENERG&A ,OR CALOR '8(

El calor es la forma de enería ,%e se transfiere entre dos sistemas o

entre sistema y entorno$ de-ido a %na i*erencia e tem!erat3ras

Mientras m0s rande es la diferencia de temerat%ras$ mayor es la+elocidad de transferencia de calor (98s)

'a diferencia de temerat%ras es la 3f%er!a motri!4 ara la transferenciade calor


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En Termodin0mica$ el t.rmino calor se %sa e=cl%si+amente arareferirse a la enería ,%e 3se mo+ili!a4 atra+esando la frontera del sistema

Bsos del t.rmino calor$ termodin0micamente incorrectos&

Calor cororal3Teno calor4El calor inicial y el calor final

Bn roceso d%rante el c%al no hay transferencia de calor se denomina9aiab:tico;

E" sistema est: ais"ao meiante 3na !are no con3ctora

No


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78383 E9emplos de procesos en los 'ue se presentatransferencia de calor

En calderos& en los c%ales se ,%ema %ncom-%sti-le ara s%ministrar calor a a%a con lafinalidad de rod%cir +aor

En intercam-iadores de calor ara calentar %nas%stancia mientras se enfría otra

1.rdidas de calor a tra+.s de las aredes dedi+ersos e,%ios


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Ca"ero !irot3b3"ar


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,#rias e ca"orDismin3ci>n e "as !#rias !or ais"amiento e

t3beras


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#onducción: en materiales sólidos, depende de laconductividad

#onvección: en fluidos, depende de la geometría, velocidad

Radiación: se transmite por ondas electromagnéticas

6.1.% Mecanismos e trans*erencia e ca"or


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6.% TRANS7ERENCIA DE ENERG&A ,OR TRA2A5O

Si la enería ,%e cr%!a la frontera de %n sistema no es calorentoncesse trata de tra$a9o

El tra-a>o es la transferencia de enería relacionada con %na f%er!a,%e act5a a lo laro de %na distancia

De la misma manera ,%e el calor$ el tra-a>o se reali!a d%rante %nroceso$ n%nca en %n sistema en e,%ili-rio

El tra-a>o reali!ado d%rante %n roceso deende de la 3trayectoriade dicho roceso4 y no de los estados inicial y final


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a( Traba$o e *rontera m>0i"

?1% ) ∫ ,.@

, no !3ee ser

@ no !3ee ser

SISTEMA

1

A!

?1% ) ∫ ,A!B

Entre


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b( Traba$o e e"#ctrico '?e(

SISTEMA

'os electrones ,%e cr%!an la frontera del sistema reali!an tra-a>o el.ctrico

so-re .sta

! co%lom-ios de cara el.ctrica se m%e+enor %n ca-le de-ido a %na diferencia deotencial / en cierto tiemo t

'a potencia el+ctrica se calc%la se5n&

: e 7 VN/t 7 / I / +olta>e I corriente o amera>e


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1%ede +ariar el +ol%men o cam-ia el +ol%men

c( Traba$o e e$e o *"ece rotatorio es %na r0ctica m%y

com5n en ineniería

e>e 7. T momento de torsión

n n5mero de re+ol%ciones or %nidadde tiemo


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( Traba$o e resorte

e( Traba$o


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2

1

<

,+ @ son 9*3nciones !3nto; !or3e sere!resentan con 3n !3nto en "os iagramas e

!rocesos.Tambi#n "o sonF T+ U+ E!+ E

En "os !rocesos oc3rren cambiosT+ U+ ,

?+ 8 son 9*3nci>nes tra=ectoria; !or3ese re!resentan !or :reas "imitaas !or"a "nea 3e escribe e" !roceso

De!enieno e "a tra=ectoria ser: s30a"or.

E" ca"or 8 tambi#n es 3na *3nci>ntra=ectoria.

En "os !rocesos se intercambian81% + ?1% 3e e!enen e"

!roceso

H. 7UNCIONES ,UNTO 7UNCIONES TRAECTORIA

∫ dB 7 B2 B 7 ∆B ∫ δ@ 7 @2


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1RIMERA 'EG DE 'A TERMODIHMICA

J. ,RINCI,IO DE LA CONSER@ACIÓN DE LA ENERG&A

3'a enería no se %ede crear ni destr%ir d%rante %n roceso sólo%ede cam-iar de forma4

Mediciones e=erimentales demostraron ,%e ara todos los rocesosadia-0ticos entre dos estados esecificados de %n sistema cerrado$ eltra-a>o neto reali!ado es el mismo$ sin imortar la nat%rale!a delsistema cerrado ni los detalles del roceso

'a energía total E es %na roiedad termodin0mica %es el +alor de s%cam-io no deende de cómo se reali!a ese cam-io o roceso


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;83 Primera ley de la termodin%mica para sistemas cerrados

KC>mo est:n re"acionaas "as i*erentes *ormas e energa

E entra al sistema < E sale del sistema . E en el sistema

E sistema . - 5 E 6 5 E P . m u 5 0m,14 v 1 5 mg =

E en el sistema . E final < E inicial . E 1 < E 3

1ara sistemas estacionarios cerrados en reoso

0> entrada 2 > salida 4 5 0: entrada 2 : salida 4 . E sistema

0> entrada 2 > salida 4 5 0: entrada 2 : salida 4 . - sistema


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E$em!"os e sistemas cerraos 3e eB!erimentan !rocesos ebio a"intercambio e ca"or = traba$o

Adia-0tico

!e = E sistema

: e . E sistema

> e 2 > s 5 : e . E sistema

0> entrada 2 > salida 4 5 0: entrada 2 : salida 4 . E sistema


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C1 caacidad calorífica a resión constante

C


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Ca!aciaes ca"or*icas !ara gases iea"es '0a"ores constantes(

GAS CV

CP γ = CP /

CV

Monoatómico: He, Ar, e

3/2 R 5/2 R 5/3 =

1.67

!iatómico: "

#, H

#, C", $

#, Aire

5/2 R 7/2 R 7/5 =

1.40

%oliatómico: C"#, $H&, S"#, CH'

7/2 R 9/2 R 9/7=

1.29

R ) .61H 5mo" /

C%ando no se disona de ta-las ,%e roorcionen los +alores de#p y C


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Energía interna 0-4

'a enería interna es la enería asociada a la estr%ct%ra ,%ímica de lamateria& mol.c%las$ enlaces ,%ímicos$ f%er!as intermolec%lares$ fase*

Esta roiedad deende f%ndamentalmente de la temerat%ra y de %naroiedad imortantísima ,%e es la caacidad calorífica a +ol%menconstante (C


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'a entalía no tiene %n sinificado físico$ como si lo tiene la eneríainterna sin em-aro es %na roiedad termodin0mica definida orcon+eniencia y simlificación de c0lc%los*

Esta roiedad termodin0mica se definió or con+eniencia al +er ,%eaarecían m%y a men%do los t.rminos % J 1υ$ c%ando se anali!a-anciertos sistemas$ en esecial los sistemas a-iertos*

? . - 5 P/ 0)@ )4

Entalpía 0?4

B . u 5 P υ '5g+5g(

? . m # P 0T 1 2 T 3 4

C%ando se tena %n roceso$ la +ariación de entalía se calc%la se5n&


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interando

δ? ) 7. B

δ? ) ,A.B

δ? ) ,.@

@%

?1% ) ∫ ,.@ @1

∫

El tra-a>o : 31 est0reresentado or el 0rea-a>o la trayectoria delsistema de hasta 2

Es %na forma de tra-a>o mec0nico ,%e est0 relacionada con la e=ansióno comresión en %n disositi+o de cilindro


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.1 ,ROCESO ISOTRMICO T ) + T ) /?1% ) ∫ ,.@

?1% ) ∫ 'nRT @( @

@%?1% ) nRT "n

@1 ,1?1% ) nRT "n

,% ,%@% ) ,1@1

,@ )

,rocesos

Comresión isot.rmica

E=ansión isot.rmica ,@ )

F Tra$a9o de frontera en procesos reversi$les,@ ) nR TGases ideales


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.% ,ROCESO ISO2ÁRICO , ) + , )

?1% )∫

,.@

?1% ) , @ ) n R T

@% @1

)

T% T1

,@ ) ,rocesosFCalentamiento iso-0ricoEnfriamiento iso-0rico

@ ) T


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.6 ,ROCESO ISOCÓRICO @ ) + @ )

8@ ) U

?1% ) ∫ ,.@ )

,% ,1

)

T% T1

,@∞ )

, ) T

,rocesosF

Calentamiento isocórico

Enfriamiento isocórico


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.H ,ROCESO ADIA2ÁTICO 8 ) no


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.J ,ROCESO C&CLICO O CICLO

Alicaciones& an0lisis de motores de com-%stión interna ideales& Otto$Diesel$ etc

: neto@ ciclo . : 31 5 : 17 5 : 7H 5 : H3

> neto@ ciclo . > 31 5 > 17 5 > 7H 5 > H3

> neto@ entrada 2 : neto@ salida . - sistema .

el sistema

retorna alestado inicial

> neto@ ciclo . : neto@ ciclo

#

&

'

p

: neto

#

p

&

': neto

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