T - 2: ENERGÍA. TRABAJO Y CALOR.ENERGÍA La energía es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza. La energía se manifiesta en los cambios físicos, por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo. La energía está presente también en los cambios químicos, como al quemar un trozo de madera o en la descomposición de agua mediante la corriente eléctrica. sólo trata con el cambio de ésta. La disminución en la energía potencial de una roca que cae.FORMAS DE ENERGÍA La energía puede existir en varias formas: térmica. . ?= ? ? ൗ?? ? La termodinámica no proporciona información acerca del valor absoluto de la energía total. El cambio de energía total de un sistema es independiente del punto de referencia seleccionado. Así. química y nuclear. eléctrica. cinética. potencial. mecánica. cuya suma conforma la energía total E de un sistema. la cual se denota por unidad de masa mediante e. magnética. a la energía total de un sistema se le puede asignar un valor de cero (E=0) en algún punto de referencia conveniente. depende sólo de la diferencia de elevación y no del nivel de referencia seleccionado. etc. como la eólica. el carbón o el gas natural. biogás. como la procedente del petróleo.FORMAS DE ENERGÍA La energía también puede clasificarse según fuente. geotérmica. Se llama energía no renovable a aquella que proviene de fuentes agotables. biomasa. la energía renovable es virtualmente infinita. . En cambio. solar térmica. mini-hidráulica. solar fotovoltaica. La energía cinética de un cuerpo sólido que gira respecto a un eje se determina ? mediante: · ? · ?? donde I es el momento de inercia del cuerpo y w es la velocidad ? angular. ? ? ?? = · ? ? ? ൗ?? Donde c denota la velocidad del sistema con respecto a algún marco de referencia fijo. por unidad de masa. la energía cinética se expresa como: ? ?? = · ? · ?? ? ? O bien. .ENERGÍA CINÉTICA La energía que posee un sistema como resultado de su movimiento en relación con cierto marco de referencia se llama energía cinética. Cuando todas las partes de un sistema se mueven con la misma velocidad. por unidad de masa.ENERGÍA POTENCIAL La energía que posee un sistema como resultado de su elevación en un campo gravitacional se llama energía potencial. ?? = ? · ? ?/?? Donde g es la aceleración gravitacional y z es la altura del centro de gravedad de un sistema con respecto a algún nivel de referencia elegido arbitrariamente. ?? = ? · ? · ? ? O bien. . ?? ? = ? + ?? + ?? = ? + + ? · ? ? ? ൗ?? Siendo u la energía interna. eléctrico y de tensión superficial son significativos sólo en casos especiales y en general se ignoran. En ausencia de esta clase de efectos. . y se expresa como: ?? ? = ? + ?? + ?? = ? + ? · + ? · ? · ? (?) ? O bien. Se relaciona con la estructura molecular y el grado de actividad molecular y se puede considerar como la suma de las energías cinética y potencial de las moléculas. potencial e interna.ENERGÍA TOTAL Los efectos magnético. y se define como la suma de todas las formas microscópicas de energía de un sistema. la energía total de un sistema consta sólo de las energías cinética. por unidad de masa. c²/2 es la energía cinética y g·z es la energía potencial del fluido. en kg/s . La energía mecánica de un fluido en movimiento por unidad de masa se puede expresar como: ???? ? ?? = + +?·? ? ? ? ൗ?? Donde P/ρ es la energía de flujo. todas por unidad de masa. ? . También es posible expresarla por unidad de tiempo: Ė??? = ṁ · ???? ? ?? =ṁ· + +?·? ? ? Siendo ṁ el flujo másico o caudal másico del fluido. Las formas más familiares de energía mecánica son la cinética y la potencial.ENERGÍA MECÁNICA La energía mecánica se puede definir como la forma de energía que se puede convertir completamente en trabajo mecánico de modo directo mediante un dispositivo mecánico como una turbina ideal. Determine la energía eólica: a) por unidad de masa.5 m/s.EJERCICIO 1 DE ENERGÍA Un sitio evaluado para construir una granja eólica tiene vientos permanentes a una velocidad de 8. b) para una masa de 10 kg. . c) para un flujo de 1 154 kg/s de aire. en kJ/kg. y cuya velocidad es de 20 m/s. en un lugar donde g = 9.81 m/s2. b) Determine la energía potencial específica. de un objeto cuya masa es de 100 kg. . en kJ.EJERCICIO 2 DE ENERGÍA a) Calcule la energía cinética total. de un objeto que está a 50 m arriba de una referencia. EJERCICIO 3 DE ENERGÍA Un río corre hacia un lago. Calcule la energía mecánica total del río. por un lugar a 90 m sobre la superficie del lago. con un flujo de 500 m3/s. y la potencia que pueda generar todo el río en ese lugar. por unidad de masa. . con una velocidad promedio de 3 m/s. EJERCICIO 4 DE ENERGÍA Se va a generar electricidad instalando un turbogenerador en un lugar a 130 m debajo de la superficie de un gran depósito de agua. . Calcule la potencia que se pueda generar. que puede suministrarla continuamente a 1600 kg/s. al chocar con las paletas en la periferia de una rueda. se va a usar para generar electricidad.EJERCICIO 5 DE ENERGÍA Un chorro de agua sale por una tobera a 70 m/s. . con una tasa de flujo de 110 kg/s. Calcule la potencia que puede generar ese chorro. el viento sopla constantemente a 7 m/s. Densidad del aire es 1. determine cuál es el mejor lugar para generar energía eólica. En el primero. el viento sopla a 10 m/s durante 1000 horas al año. Sugerencia: observe que la tasa de flujo de masa del aire es proporcional a la velocidad del viento. para simplificar. que la velocidad del viento es despreciable fuera de esas horas. mientras que en el segundo. Suponiendo.EJERCICIO 6 DE ENERGÍA Se están estudiando dos lugares para generar energía eólica. durante 5000 horas por año.25 kg/m3 y el Área transversal que ocupa las aspas del aerogenerador es de 12 m2. . TRANSFERENCIA DE ENERGÍA La energía puede cruzar la frontera de un sistema cerrado en dos formas distintas: calor y trabajo. La diferencia de temperatura es la fuerza motriz para la transferencia de calor. La energía se reconoce como transferencia de calor sólo cuando cruza las fronteras del sistema. . Mientras más grande es la diferencia de temperatura. mayor es la tasa de transferencia de calor. El calor se define como la forma de energía que se transfiere entre dos sistemas (o entre un sistema y el exterior) debido a una diferencia de temperatura. la cantidad de transferencia de calor durante un proceso se determina integrando ?ሶ sobre el intervalo de tiempo del proceso. La transferencia de calor de un sistema por unidad de masa se denota como q.ሶ ?ሶ = ? · ?ሶ ?ൗ ? Cuando ?ሶ varía con el tiempo. ?? ? = න ?ሶ · ?? ?? ?? . tanto el sistema como el exterior están a la misma temperatura y por lo tanto no hay fuerza impulsora (diferencia de temperatura) para la transferencia de calor. que significa “no pasar”. Hay dos maneras en que un proceso puede ser adiabático: el sistema está bien aislado de modo que sólo una cantidad insignificante de calor cruza la frontera. ? ?= ? ? ൗ?? La tasa de transferencia de calor o potencia calorífica se expresa con ?. El término adiabático proviene de la palabra griega adiabatos.TRANSFERENCIA DE ENERGÍA Un proceso durante el cual no hay transferencia de calor se denomina proceso adiabático. o bien. ?? ? = න Ẇ · ?? (?) ?? .TRANSFERENCIA DE ENERGÍA El trabajo es una interacción de energía que ocurre entre un sistema y el exterior. ? ?= ? ? ൗ?? El trabajo de aceleración de un cuerpo es el cambio de energía cinética de éste: ? ?? = ? · ? · (??? − ??? ) (?) El trabajo realizado por unidad de tiempo se llama potencia de trabajo. el trabajo W durante un proceso se determina integrando Ẇ sobre el intervalo de tiempo del proceso. El trabajo por unidad de masa de un sistema se denota mediante w. se denota como Ẇ. Ẇ=?·ṁ ?ൗ ? En caso de que Ẇ varíe con el tiempo. Cuando N coulombs de carga eléctrica se mueven a través de una diferencia de potencial ΔV. los electrones de un alambre se mueven por el efecto de fuerzas electromotrices. el trabajo realizado se obtiene al ?? = න ? · ?? (?) integrar las cantidades diferenciales de trabajo. por lo tanto realizan trabajo eléctrico.TRANSFERENCIA DE ENERGÍA En un campo eléctrico. el trabajo eléctrico realizado es: ?? = ∆? · ? (?) La potencia eléctrica se representa por: Ẇ? = ∆? · ? (?) El trabajo mecánico que realiza una fuerza constante F sobre un cuerpo que se desplaza una distancia s en la dirección de la fuerza se expresa como: ?? = ? · ? (?) ? Si la fuerza F no es constante. ? Si consideramos que el cuerpo tiene una velocidad c la potencia mecánica se determina mediante: Ẇ? = ? · ? (?) . desde el reposo hasta 100 km/h.EJERCICIO 7 DE ENERGÍA Calcule la energía requerida para acelerar un automóvil de 800 kg. si la aceleración se realiza en 15 segundos? . en un camino horizontal. ¿Qué potencia se necesita. . y se estima que la tasa de transferencia de calor hacia el aula a través de las paredes es de 16000 kJ/h.EJERCICIO 8 DE ENERGÍA En un salón de clases que normalmente aloja a 60 personas se instalarán unidades de aire acondicionado con capacidad de enfriamiento de 6 kW. cada uno de 120 W. determine el número de unidades de aire acondicionado requeridas. Se puede suponer que una persona en reposo disipa calor a una tasa de alrededor de 370 kJ/h. Además. hay 12 focos en el aula. Si el aire en el aula se debe mantener a una temperatura constante de 21 °C. .EJERCICIO 9 DE ENERGÍA Un ventilador debe acelerar aire desde el reposo a una velocidad de 11 m/s a razón de 8 m3/s. Calcule la potencia mínima que debe alimentarse al ventilador.25 kg/m3. Suponga que la densidad del aire es 1. EJERCICIO 10 DE ENERGÍA En un centro comercial. Determine el consumo mínimo de potencia necesario para mover la escalera.9 m/s. ¿Cuál sería su respuesta si aumentara al doble la velocidad de la escalera? . una escalera eléctrica está diseñada para mover a 40 personas de 70 kg cada una. a una velocidad constante de 0. por una pendiente de 40°. ¿PREGUNTAS? .