Transferencia de energíapor calor, trabajo y masa UNIDAD III • • • • • • • 3.1 Transferencia de calor 3.2 Transferencia de energía por trabajo 3.3 Principio de conservación de la masa 3.4 Primera ley de la Termodinámica 3.5 Balance de energía en sistemas abiertos y cerrados 3.6 Aplicaciones • • • • • • • • • • • • Segunda Ley de la Termodinámica. 4.1 Introducción 4.2 Depósitos y Maquinas Térmicas 4.3 Eficiencia de conversión de energía 4.4 Refrigeradores y Bombas de calor 4.5 Segunda ley de la termodinámica 4.6 Ciclo de Carnot y escala absoluta 4.7 Entropía Unidad 5: Aplicaciones 5.1 Exergia 5.2 Ciclos de Potencia 5.3 Ciclos de Refrigeración Introducción • La “conservación de energía” es la conservación de la calidad de la energía, no la cantidad. Formas de energía • Térmica, Mecánica, Cinética, Potencial, Eléctrica, Magnética, Química y Nuclear. • Entonces, la suma de estas energías, es la energía total E de un sistema. la cual se denota por unidad de masa mediante e. • ? = ?? • Las diversas formas de energía que conforman la energía total de un sistema son: • macroscópicas y microscópicas • La suma de todas las formas microscópicas de energía se denomina energía interna de un sistema y se denota mediante U. . .• La energía que posee un sistema como resultado de su movimiento en relación con cierto marco de referencia se llama energía cinética (EC). (por unidad de masa) • donde V es la velocidad del sistema con respecto a algún marco de referencia fijo. • Energía total= Energía Cinética + Energía Potencial + Energía Interna .• La energía que posee un sistema como resultado de su incremento de altura en un campo gravitacional se llama energía potencial (EP). mediante • ? = ??. At el área de sección transversal de flujo y Vprom es la velocidad media del flujo normal a At. es la cantidad de masa que fluye por una sección transversal por unidad de tiempo. y se relaciona con el flujo volumétrico V.• El flujo másico m. definido como el volumen de un fluido que fluye por una sección transversal por unidad de tiempo. donde ρ es la densidad del fluido. . Energía interna • La energía interna de un sistema es la suma de todas las formas de energías microscópicas. Diversas formas de energías microscópicas constituyen la energía sensible o energía cinética de las moléculas. . • El calor es una forma de energía como energía térmica. La energía cinética macroscópica es una forma organizada de energía y es mucho más útil que las energías cinéticas microscópicas desorganizadasde las moléculas.Las únicas dos formas de interacción de energía relacionadas con un sistema cerrado son la transferencia de calor y el trabajo. . . Fisión de uranio y fusión de hidrógeno en las reacciones nucleares. para impulsar submarinos. a nivel mundial había 440 de ellas.• Energía nuclear La reacción de fisión más conocida tiene que ver con la división del átomo de uranio (el isótopo U-235) en otros elementos y se usa habitualmente para generar electricidad en las centrales de energía nuclear (hasta 2004. con su consecuente liberación de energía nuclear. las cuales generaban 363 000 MW). portaaviones e incluso naves espaciales. así como en la producción de bombas nucleares. Suponga que están resueltos todos los problemas relacionados con la radiactividad y la eliminación de los desechos producidos por los combustibles nucleares. Asimismo.68 y 0. cuando se quema por completo 1 kg de gasolina se liberan 44 000 kJ de calor). la densidad de la gasolina varía entre 0. Si el carro viene equipado con 0.1 kg de U-235.78 kg/L. y que un automóvil nuevo utilizará como combustible U-235. determine si este automóvil requerirá ser reabastecido en condiciones de manejo promedio . Por lo tanto. un automóvil consume alrededor de 5 L de gasolina por día y la capacidad de su depósito de combustible es de 50 L. es necesario reabastecer un automóvil una vez cada 10 días.Ejemplo • En promedio. y su poder calorífico inferior es aproximadamente de 44 000 kJ/kg (es decir. V2/2 es la energía cinética y gz es la energía • potencial del fluido. • (la cinética y la potencial) • (la energía mecánica de un fluido en movimiento por unidad de masa) • P/ρ es la energía de flujo. .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. todas por unidad de masa. Ejemplo. Determine la energía eólica a) por unidad de masa. . b) para una masa de 10 kg y c) para un flujo de 1 154 kg/s de aire. 2-12). energía eolica • Un sitio evaluado para construir un parque eólico tiene vientos permanentes a una velocidad de 8.5 m/s (Fig. Transferencia de energía por calor • La energía puede cruzar la frontera de un sistema cerrado en dos formas distintas: calor y trabajo. • 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 . . • En termodinámica el término calor significa simplemente transferencia de calor.La energía se reconoce como transferencia de calor sólo cuando cruza las fronteras del sistema. Un proceso durante el cual no hay transferencia de calor se denomina proceso adiabático • Durante un proceso adiabático. . un sistema no intercambia calor con el exterior. y tiene que ver con los efectos combinados de la conducción y el movimiento del fluido. .• El calor se transfiere mediante tres mecanismos: conducción. como resultado de la interacción entre partículas. convección y radiación. La radiación es la transferencia de energía debida a la emisión de ondas electromagnéticas (o fotones). La conducción es la transferencia de energía de las partículas más energéticas de una sustancia a las adyacentes menos energéticas. La convección es la transferencia de energía entre una superficie sólida y el fluido adyacente que se encuentra en movimiento. TRANSFERENCIA DE ENERGÍA POR TRABAJO • • • si la energía que cruza la frontera de un sistema cerrado no es calor. Las unidades de potencia son kJ/s. o kW. debe ser trabajo. . El trabajo por unidad de masa de un sistema El trabajo realizado por unidad de tiempo se llama potencia. la transferencia de calor desde un sistema y el trabajo hecho sobre un sistema son negativos. .Direcciones de calor y trabajo. • La transferencia de calor hacia un sistema y el trabajo hecho por un sistema son positivos. Ambos son función de la trayectoria (es decir. sus magnitudes dependen de la trayectoria seguida durante un proceso. A diferencia de las propiedades. no con un estado. pero el calor o el trabajo no. es decir. ni el calor ni el trabajo tienen significado en un estado. . Ambos se relacionan con un proceso.El calor y el trabajo son mecanismos de transferencia de energía entre un sistema y el exterior. Los sistemas poseen energía. son fenómenos de frontera. así como de los estados iniciales y finales). • • • • Tanto el calor como el trabajo pueden ser reconocidos en las fronteras de un sistema cuando las cruzan. Ejemplos de análisis • ¿Hay alguna transferencia de calor durante este proceso de combustión? • ¿Hay algún cambio en la energía interna del sistema? . • ¿Hay alguna transferencia de calor durante este proceso? . Calentamiento de un horno • ¿Se trata de una interacción de calor o trabajo? . es decir. la corriente .Trabajo Electrico • We es la potencia eléctrica e I es el número de cargas eléctricas que fluyen por unidad de tiempo. Formas mecánicas de trabajo • Trabajo de flecha. n es el número de revoluciones por unidad de tiempo. La transmisión de energía mediante un eje rotatorio (flecha) es una práctica muy común en la ingeniería. . Ejemplo • Transmisión de potencia mediante la flecha de un automóvil • Determine la potencia transmitida por la flecha de un automóvil cuando el momento de torsión aplicado es de 200 N · m y la flecha gira a razón de 4000 revoluciones por minuto (rpm). . . sólo puede cambiar de forma.PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA • La energía no se puede crear ni destruir durante un proceso. el trabajo neto realizado es el mismo sin importar la naturaleza del sistema cerrado ni los detalles del proceso. • Para todos los procesos adiabáticos entre dos estados determinados de un sistema cerrado. Balance de energía • PRINCIPIO DE CONSERVACION DE ENERGIA • El cambio neto (aumento o disminución) de la energía total del sistema durante un proceso es igual a la diferencia entre la energía total que entra y la energía total que sale del sistema durante el proceso. . Incremento de la energía de un sistema. ∆???????? . Ejercicio Enfriamiento de un fluido caliente en un recipiente • Un recipiente rígido contiene un fluido caliente que se enfría mientras es agitado por un ventilador. Por su parte. . Determine la energía interna final del fluido e ignore la energía almacenada en el ventilador. la energía interna del fluido es de 800 kJ. pero durante el proceso de enfriamiento pierde 500 kJ de calor. Al inicio. la rueda realiza 100 kJ de trabajo sobre el fluido. pero después es liberada. el punto A.Conservación de la energía para una bola de acero oscilante • Se analizará el movimiento de una bola de acero dentro de un tazón hemisférico de radio h. Obtenga las relaciones para la conservación de energía de la bola tanto para el movimiento sin fricción como el real. . Al inicio la bola se mantiene en el lugar más alto. EFICIENCIA EN LA CONVERSIÓN DE ENERGÍA • Eficiencia de combustión Poder calorífico: Es la cantidad de calor liberado cuando se quema por completo una unidad de combustible y los productos de la combustión se enfrían a la temperatura ambiente . • La eficiencia de un aparato para cocinar se define como la relación entre la energía útil transferida a los alimentos y la energía que consume el aparato . Determine la tasa de consumo de energía y el costo unitario de ésta. respectivamente.20/termia.Ejercicio Costo de la energía para cocinar con estufas eléctricas y de gas • La eficiencia de los aparatos para cocinar afecta la ganancia de calor interna puesto que un aparato ineficiente consume una mayor cantidad de energía para la misma tarea. tanto para el quemador eléctrico como el de gas. La eficiencia de los quemadores abiertos se determina como 73 por ciento para las unidades eléctricas y 38 por ciento para las de gas.09/kWh y $1. Considere un quemador eléctrico de 2 kW en un lugar donde el costo unitario de la electricidad y el gas natural es de $0. mientras el exceso de energía consumida se manifiesta como calor en el espacio cercano. . .SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA • Afirma que la energía tiene calidad así como cantidad. Depósitos de energía térmica . • Un depósito que suministra energía en la forma de calor se llama fuente. Los depósitos de energía térmica suelen denominarse depósitos de calor porque proveen o absorben energía en forma de calor. . y otro que absorbe energía en la forma de calor se llama sumidero. Maquinas térmicas • El trabajo se puede convertir en calor de manera directa y por completo. pero convertir el calor en trabajo requiere usar algunos dispositivos especiales. . • 1. horno de petróleo. • 4. Operan en un ciclo. . • 3. etcétera). reactor nuclear. Convierten parte de este calor en trabajo (por lo general en la forma de una flecha rotatoria). Reciben calor de una fuente a temperatura alta (energía solar. etcétera). • 2. los ríos. Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de calor de baja temperatura (la atmósfera. • • • • Qentrada cantidad de calor suministrada al vapor en una caldera desde una fuente de temperatura alta (horno) Qsalida cantidad de calor rechazada del vapor en el condensador hacia un sumidero de temperatura baja (atmósfera. etcétera) Wsalida cantidad de trabajo que entrega el vapor cuando se expande en una turbina Wentrada cantidad de trabajo requerida para comprimir agua a la presión de la caldera . río. . Eficiencia Térmica • La fracción de la entrada de calor que se convierte en salida de trabajo neto es una medida del desempeño de una máquina térmica . . . Si la tasa de rechazo de calor hacia un río cercano es 50 MW. determine la salida de potencia neta y la eficiencia térmica para esta máquina térmica.Ejercicios Producción de potencia neta de una máquina térmica • Se transfiere calor a una máquina térmica desde un horno a una tasa de 80 MW. 19 000 Btu de energía se liberan por cada lbm de combustible quemado). Determine la tasa de consumo de combustible de este automóvil si el combustible tiene un poder calórico de 19 000 Btu/ lbm (es decir. .Tasa de consumo de combustible de un automóvil • Un motor de automóvil con una salida de potencia de 65 hp tiene una eficiencia térmica de 24 por ciento. son dispositivos cíclicos.REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR • Los refrigeradores y las bombas de calor. . Coeficiente de desempeño • Refrigeración . Coeficiente de desempeño • Bomba de calor . • “Ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia térmica de 100 por ciento” .La segunda ley de la termodinámica: enunciado de Kelvin-Planck • Es imposible que un dispositivo que opera en un ciclo reciba calor de un solo depósito y produzca una cantidad neta de trabajo. La segunda ley de la termodinámica: enunciado de Clausius • Es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo sin que produzca ningún otro efecto que la transferencia de calor de un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura. .
Report "Transferencia de Energía Por Calor, Trabajo y Masa"