Termodinamica Trabajo de Investigacion Final
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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA . 1 APLICACIONES DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Calle Saquicilí Jonnathan Mauricio jcalles3@es t.ups.edu.ec Farfán Figueroa Erick Damián [email protected] Idrovo Villa Andrés Efraín [email protected] Jara Saldaña William Xavier [email protected] Vinueza Vásquez Angel Mauricio [email protected] RESUMEN: en el presente trabajo se estudia la primera ley de la termodinámica centrada al principio de conservación de la energía en un sistema abierto o cerrado y las aplicaciones que tiene sobre diferentes áreas de la ingeniería. En nuestro caso las aplicaciones de la primera ley de la termodinámica la estudiamos en turbinas, compresores, toberas, sistema de refrigeración, sistema de compresión en el vehículo en donde se da una interpretación del comportamiento del sistema y su funcionamiento. Palabras clave: Sistema: cantidad de materia o una región en el espacio que se elige para su análisis. Sistema abierto: tanto la masa como la energía pueden cruzar la frontera de lo que se considera como volumen de control. Sistema cerrado: ninguna masa puede entrar o salir de este tipo de sistema. Abstract._ In this paper, we study the first law of thermodynamics centered to the principle of conservation of energy in an open or closed system an applications on different areas of engineering. In our case studied it the applications of the first law of thermodynamics in turbines, nozzles, compressors, cooling systems, compression system in the vehicle where an interpretation of the behavior of the system and its operation is given. Keywords: System: quantity of matter or a region in space that you choose for your analysis. Open system: both the mass and energy can cross the border of what is considered as control volume. Closed system: no mass can enter or l eave this typ e of system.
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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA.
1
APLICACIONES DE LA PRIMERA LEY DE LATERMODINÁMICA
Calle Saquicilí Jonnathan Mauricio [email protected]
Farfán Figueroa Erick Damián
Idrovo Villa Andrés Efraí[email protected]
Jara Saldaña William [email protected]
Vinueza Vásquez Angel [email protected]
RESUMEN: en el presente trabajo se estudia la
primera ley de la termodinámica centrada al principio
de conservación de la energía en un sistema abierto o
cerrado y las aplicaciones que tiene sobre diferentes
áreas de la ingeniería. En nuestro caso las
aplicaciones de la primera ley de la termodinámica la
estudiamos en turbinas, compresores, toberas,
sistema de refrigeración, sistema de compresión en el
vehículo en donde se da una interpretación del
comportamiento del sistema y su funcionamiento.
Palabras clave:
Sistema: cantidad de materia o una región en el
espacio que se elige para su análisis.
Sistema abierto: tanto la masa como la energía
pueden cruzar la frontera de lo que se considera
como volumen de control.
Sistema cerrado: ninguna masa puede entrar o salir
de este tipo de sistema.
Abstract._ In this paper, we study the first law of
thermodynamics centered to the principle of
conservation of energy in an open or closed
system an applications on different areas of
engineering.
In our case studied it the applications of the
first law of thermodynamics in turbines,
nozzles, compressors, cooling systems,
compression system in the vehicle where an
interpretation of the behavior of the system and
its operation is given.
Keywords:
System: quantity of matter or a region in space that
you choose for your analysis.Open system: both the mass and energy can cross
the border of what is
considered as control volume.
Closed system: no mass can enter or leave this typ
e of system.
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I. INTRODUCCIÓN
El presente trabajo consiste en el análisis de
la primera ley de la termodinámica aplicada a
equipos relacionados con la ingeniería mecánica
automotriz, analizando el comportamiento de la
temperatura, volumen y presión en sistemas
abiertos o cerrados para ello debemos tener en
claro el concepto de energía ya que ésta produce
cambios en el estado de los cuerpos en donde
incluye variaciones en sus movimientos o también
puede producirse un trabajo ya sea éste
mecánico o eléctrico.
Conociendo ciertos conceptos ya mencionados
será posible relacionarlos y aplicarlos a
problemas de aplicación. Teniendo en cuenta que
por definición se dice que la primera ley de la
termodinámica afirma que la energía total de
cualquier sistema aislado se conserva.
II. OBJETIVO GENERAL
Comprender la aplicación de la primera
ley de la termodinámica en ingeniería
mecánica automotriz.
III. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Estudiar la primera ley de la
termodinámica.
Relacionar la primera ley de la
termodinámica aplicada a la ingeniería
mecánica automotriz.
Aplicar los conocimientos aprendidos del
tema, en problemas de aplicación.
IV. MARCO TEÓRICO
A. Primera ley de la termodinámica
La 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 eltrabajo realizado por el sistema a sus
alrededores.
B. Trabajo
El trabajo representa un intercambio de
energía entre un sistema y su entorno. Cuando
un sistema sufre una transformación, este
puede provocar cambios en su entorno. Si los
cambios implican el desplazamiento (variación)
de las fuerzas que ejerce el entorno sobre el
sistema, o más precisamente sobre la frontera
entre el sistema y el entorno, entonces ha
habido producción de trabajo. El trabajo es la
energía transferida de masa, a través de los
límites de un sistema y debido a la diferencia y
debido a la diferencia de una propiedad
intensiva entre el sistema y su medio de la
temperatura.
El trabajo realizado por un gas a presión
constante es:
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Si la presión no es constante, el trabajo se
visualiza como el área bajo la curva de
presión-volumen, que representa el proceso
que está teniendo lugar
Fig.1 Ley de Boyle (P-V). Fuente: Corinto.
El Trabajo representa el área bajo la curva
∫
El trabajo realizado por un sistema disminuye la
energía interna del sistema, como se indica en la
primera ley de la termodinámica. El trabajo del
sistema es un aspecto importante en el estudio de
motores térmicos. El trabajo positivo representa
una trasferencia de energía entre el sistema y el
entorno y cuando el trabajo es negativo
representa una transferencia de energía del
entorno al sistema. El trabajo realizado por un
sistema depende de los estados inicial y final y de
la trayectoria seguida por el sistema entre dichos
estados.
C. Calor
El calor se considera como energía en tránsito a
través de la frontera que separa a un sistema de
su entorno.
Sin embargo, a diferencia del trabajo, la
transferencia de calor se origina por una
diferencia de temperatura entre el sistema y su
entorno y el simple contacto es el único
requisito para que el calor sea transferido por
conducción.
D. Calor específico (c)
Es la cantidad de calor que al ser suministrada
o retirada de la unidad de masa de un sistema,
causa una variación de la unidad de masa de
un sistema y causa una variación de
temperatura de un grado.
E. Capacidad calorífica (C)
Es la cantidad de calor que al ser suministrada
o retirada de una masa m, causa una variación
de temperatura de un grado. Cuando la masa
m corresponde a la unidad de masa, lacapacidad tiene el mismo valor de calor
específico.
Las unidades de calor son las de trabajo yenergía. La convención de signos utilizada
para una cantidad de calor Q es opuesta a la
que se utiliza para el trabajo. El calor añadido
a un sistema se da con un número positivo, en
tanto que el calor extraído de un sistema se da
con un número negativo.
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D. Conservación de la energía
Esta parte de nuestro estudio tenemos que la
primera 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 calentador.
E. Sistemas cerrados
Un sistema cerrado es un sistema que no tiene
entrada ni salida de masa. 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:
Dónde:
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 este) e incluye
trabajo eléctrico, mecánico y de frontera.
U: es la energía interna del sistema.
Fig.2 Sistema cerrado que cumple un cambio deestado. Fuente: UNET.
F. 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. Se considera un
sistema a través de cuyos límites existe flujo de
masa, se produce trabajo y se absorbe calor.
Además existe variación de energía potencial y
energía cinética.
Fig.3 Turbina (sistema abierto). Fuente: Wordpress.
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Dónde:
( )
Para sistemas abiertos que manejas fluidosincomprensibles (líquidos) el cambio de entalpía
isotérmico puede reemplazarse por:
L ecuación general para un sistema abierto es:
∑
∑
Dónde:
in representa todas las entradas de masa al sistemas.
Out representa todas las salidas de masa desde elsistema.
Es la energía por unidad de masa del flujo y
comprende entalpía, energía potencial y energía
cinética.
V. APLICACIONES
G. Toberas
Una tobera es un dispositivo que aumenta la
velocidad de un fluido de la presión. Un difusor esun dispositivo que aumenta la presión de un fluido
retardándolo, las toberas efectúan tareas
opuestas. El área de la sección transversal de una
tobera disminuye en la dirección del fluido en el
caso de fluidos subsónicos y aumenta cuando se
trata de fluidos supersónicos.
Fig.4 Tobera. Fuente: UCO.
La ecuación general de la primera ley para unatobera:
Una tobera incrementa la velocidad de un fluido aexpensas de una caída de presión. El cambio enenergía potencial es despreciable.
H. Compresor
Es un dispositivo que se utiliza para incrementar la
presión de un fluido, a este dispositivo el trabajo se
suministra desde una fuente externa a través de un
eje giratorio. El compresor es capaz de comprimir
el gas a presiones muy altas. La transferencia de
calor es insignificante mientras que las
velocidades sean demasiado bajas para causar
algún cambio en su energía cinética .
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Fig.8 Accionamiento de una válvula. Fuente: Anónimo.
L. Sistema de compresión en un vehículo en unsistema cerrado
Dentro de un automóvil encontramos el sistema
cilindro embolo el cual hace referencia a un sistema
cerrado el mismo que hace referencia a la primera ley
de la termodinámica. Dentro de un automóvil para
que se realice la fase de compresión se genera calor
por la reacción química entre el oxígeno y la gasolina
en los cilindro, debido a esto el gas generado por esa
reacción es un gas caliente que empuja los pistones
de los cilindros haciendo que efectúen un trabajo
mecánico él es cual es utilizado para poder impulsar
el vehículo.
Fig.8 Sistema Pistón-cilindro. Fuente: Motogiga.
VI. CONCLUSIONES
La primera ley de la termodinámica estudiade manera generalizada la conservación
de la energía en sistemas cerrados yabiertos aplicadas en diferentes ámbitosde la vida cotidiana
Se establece que la temperatura va adepender de la presión que se ejercedentro del sistema ya sea este volumen decontrol o masa de control.
La energía de un sistema puede cambiarcon la energía de sus alrededores enforma de trabajo o calor pero teniendo en
cuenta las variables de presión, volumen ytemperatura.
Cuando obtenemos el trabajo con signopositivo la transferencia de energía esrealizada desde el sistema hacia elentorno de lo contrario cuando el signo esnegativo la transferencia de energía esdesde el entorno hacia el sistema.
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Bibliografía
1] «UNET,» http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-74.htm.
2] «Corinto,»https://reader010.{domain}/reader010/html5/0606/5b17508ff2e26/5b1750969115d.png.
3] «Taringa,» http://www.taringa.net/posts/ciencia-educacion/10564381/Compresores.html
4] «UCO,» http://www.uco.es/termodinamica/ppt/pdf/termo%205-2.pdf
5] «Monografias,» http://www.monografias.com/trabajos11/pogas/pogas.shtml
6] «Motorgiga,» 2010. http://diccionario.motorgiga.com/diccionario/compresion-definicion-significado/gmx-niv15con193643.htm
7] Y. A. Cengel, Termodinámica, México: Mc Graw-Hill, 2009.
8] «Wordpress,» http://profesormario.wordpress.com/2010/11/21/balance-de-energia-sistemas-1era-ley-de-la-
termodinamica/.
