termodinámica - primera ley
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8/18/2019 Termodinámica - Primera ley
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Carrera de Ingeniería Industrial TERMODINÁMICA
APLICADA
Sesión 2Teoría
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8/18/2019 Termodinámica - Primera ley
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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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