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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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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)
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m
Ww
tWW
dtWW
2
1
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Formas de trabajo
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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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Otras formas de trabajo
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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Otras formas de trabajo
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
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m
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