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TERMODINÁMICAClase 02: Energía
PANTOJA-GUERRERO, R.A.
Marzo 1 de 2013
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Contexto La energía a nivel mundial
Contexto Mundial
Fuente: International Energy Agency (2012)
La energía es fundamental para todas las actividades humanas, a nivelmundial se obtiene de diversas fuentesPANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 2 / 28
Contexto Energía en Colombia
Colombia
Fuente: Unidad de Planeación Minero-energética en Colombia UPME (2012)
En Colombia, la energía eléctrica principalmente se obtiene a partir de lashidroeléctricas
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Contexto Fuentes de la energía
Fuentes de energía
Fuente: http://www.earthlyissues.com/renew.htm
Según la fuente, la energía puede clasificarse como renovable o norenovable.PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 4 / 28
Contexto Fuentes de la energía
Tipos de energía
Fuente: http://alessiobernardelli.wordpress.com/2011/05/12/i-really-want-a-free-copy-of-imindmap-5-ultimate/
La energía se presenta en múltiples formas según sea usada
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Unidades de la energía y potencia Unidades de la energía en SI y USCS
Unidades de la Energía
Fuente: http://www.vfundude.com/2012/06/what-is-work-physics-and-definition-of-work/
Work = cosθ−→F .s
Unidades de energía del sistema internacional1 J=1N.m=1kgm
s2
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Unidades de la energía y potencia Unidades de la energía en SI y USCS
Unidades del sistema Inglés
Unidades de USCS y otras
1lb fts2 .ft = 1lbf .ft
1 BTU = 778.169 lbf .ft1 BTU = 252 cal1 cal = 4.1868 J
1 BTU = 1055.055056 J
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Unidades de la energía y potencia Potencia
La potencia
Fuente: http://auto.howstuffworks.com/horsepower.htm
DefiniciónLa potencia se define como la velocidad a la que se transforma la energía
Potencia=Energ«ıaTiempo
1W=1Js 1HP = 550 lbf .
fts
1 HP = 745.7 W 1kW.h = 1kJs x3600s = 3600kJ
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Energía potencial y energía cinética Energía potencial
Energía potencial
Definición
Ep = mgz ep = gz
Tanto la energía cinética como la energía potencial dependen del estadoinicial y final (Son propiedades de estado)
4Ep = EpFinal − EPInicial
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Energía potencial y energía cinética Energía cinética
Energía cinética
Definición
Ep = m−→V 2
2ep =
−→V 2
2
1m2
s2 = 1kg .m2
kg .s2 = 1 kgm2
s21kg
= 1Jkg
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La energía en forma de trabajo Definición de trabajo
Definición del trabajo
El trabajo NO es función de estado, depende de la trayectoriatermodinámica
δW =−→F .dx W1 2 =
ˆδW
La potencia está definida como
W =δWdt
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La energía en forma de trabajo El trabajo de eje o de torque
Trabajo de torque
El torque es el trabajo que se transfiere por el uso de un eje.Wτ = (2π_τ)t _Wτ = 2π_Nτ
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La energía en forma de trabajo El trabajo eléctrico
Trabajo eléctrico
El amperaje y el voltaje se multiplican para calcular la potencia transferidapor un dispositivo eléctrico o electrónicoWEE = (IV)t _WEE = IV1W = 1 V.A.
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La energía en forma de trabajo El trabajo de expansión y compresión
Trabajo de expansión y compresión
El trabajo de expansión y compresión sucede muchas veces en los motores decombustión interna y es básico para entender otros fenómenos fisicoquímicos.Durante la transferencia de trabajo, el volumen del sistema cambia. Tambiénpuede cambiar la presión o la temperatura.
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La energía en forma de trabajo El trabajo de expansión y compresión
Ecuación básica para el trabajo de expansión
δW = −−→F dx
δW = −−→F dx A
A = −−→FA A.dx
δW = −P.A.dx = −P.dV
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La energía en forma de trabajo El trabajo de expansión y compresión
Trabajo de un proceso isobárico
Cuando la presión es constante...
δW = −P.dV P = cte.
ˆδW = −
ˆP.dV = −P
ˆdV
−Pˆ
dV = −P4V
ˆδW = −P4V
W1 2 = −P4V
4V = V2 − V1
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La energía en forma de trabajo El trabajo de expansión y compresión
Trabajo de un proceso isotérmico
Cuando el producto PV es constante...
δW = −P.dV PV = k P = k/V
ˆδW = −
ˆkV.dV = −k
ˆdVV
−kˆ
dVV
= −k .ln(
V2
V1
)ˆδW = −k .ln
(V2
V1
)
W1 2 = −k .ln(
V2
V1
)k = P1V1 = P2V2
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La energía en forma de trabajo El trabajo de expansión y compresión
Trabajo de un proceso politrópico
Para un proceso politrópico...
δW = −P.dV PV n = k P = k .V−n
Donde n es una constante...la constante de un proceso politrópicoˆδW = −
ˆPdV = −
ˆk .V−ndV
−kˆ
V−ndV = −kV−n+1
2 − V−n+11
−n + 1
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La energía en forma de trabajo El trabajo de expansión y compresión
Continuación...Trabajo politrópico
Continuación...Como PV n = k y k = P1V n
1 = P2V n2
−kV−n+1
2 − V−n+11
−n + 1=
(P2V n2 )(V
−n+12 )− (P1V n
1 )(V−n+11 )
1− n
ˆδW = −
ˆPdV = W1 2 =
(P2V2)− (P1V1)
1− n
W1 2 =(P2V2)− (P1V1)
1− n
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La energía en forma de trabajo El trabajo de expansión y compresión
Unidades del producto PV
Muy importante!!!!!!!
PV [=]1 Pa.m3 = 1Nm2 m3 = 1N.m = 1J
Si se usa el volumen específico...Pv [=]1 Pa.m
3
kg = 1 Jkg
Si se usa el volumen molarPV [=]1 Pa. m3
kgmol = 1 Jkgmol
En USCS??1 psia.ft3 ????? BTU????? Joul?????
Y ESTAS CONVERSIONES SE USAN EN TODAS LAS ECUACIONESPRECEDENTES!!!!!!!!
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El Calor Definición de calor
El calor
Y entonces ¿Cual es la conclusión aquí?Para que el calor pueda transferirse se requiere que exista una diferencia detemperaturas a lo largo del espacio de transferencia.PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 21 / 28
El Calor Mecanismos de transferencia de calor
Los mecanismos de la transferencia de calor
Mecanismos de tranferencia de calor
CONDUCCIÓN: A través de un sólido, liquido o gas SIN movimiento netomolecularCONVECCIÓN: A través de un líquido o gas CON movimiento netoRADIACIÓN: Es un fenómeno de ondas en el que no se requiere la materia
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El Calor Diagramas PV, trabajo y calor...
Diagramas PV
El trabajo y el calor son funciones de trayectoriaDependen del proceso termodinámico, de la forma de la ruta. NOdependen de los estados inicial y final
ˆδW = W1 2
ˆδQ = Q1 2
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Energía interna y entalpía. La energía interna U
Energía Interna
La energía interna: Propiedad termodinámica
Es una propiedad de las sustancias purasEs la energía propia de las sustancias y contabiliza, internamente,varias formas de energía...Es la suma de energía intrínseca y extrínseca
Extrínseca como la energía cinética de rotación y traslación de lasmoléculas respecto a un eje coordenadoIntrínseca como la energía de los átomos, los enlaces, el núcleo,electrostática, magnética
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Energía interna y entalpía. La energía interna U
Energía interna (Continuación...)
La energía interna U
Algunas de estas se pueden medir directamento y otras no son de fácilmedidaTodas estas energías se suman en una sola propiedad LA ENERGÍAINTERNA UEs útil en el balance de energía de sistemas cerrados...ˆ
dU = 4U = U2 − U1
U[=]kJ u[=]kJkg
U[=]kJ
kgmol
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Energía interna y entalpía. La entalpía H
La entalpía
La entalpía
Es una propiedad termodinámica bastante útil que está definida enfunción de la energía interna, la presión y el volumenTambién es una propiedad de estado
H ≡ U + PVˆdH = 4H = H2 − H1
h ≡ u + Pv H ≡ U + PV
Es una propiedad múy útil para evaluar sistemas abiertos (Donde haytransporte de materia)
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Labores de estudio independiente Lecturas obligatorias
Lecturas obligatorias
Incluir en la lectura la solución de los ejercicios de ejemplo.1 Cengel, Y. A., & Boles, M. A. (2006). Thermodynamics: an
engineering approach. McGraw-Hill Higher Education.
Sección 2.1 hasta la Sección 2.6
2 Wark, K., & Richards, D. E. (2001). Termodinámica. McGraw-Hill.
Capítulo 2, con especial énfasis en el capítulo 2.6
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Labores de estudio independiente Ejercicios propuestos
Ejercicios propuestos
Incluir en la lectura la solución de los ejercicios de ejemplo.1 Cengel, Y. A., & Boles, M. A. (2006). Thermodynamics: an
engineering approach. McGraw-Hill Higher Education.
Ejercicios del 2.8 al 2.14Ejercicios del 2.43 al 2.50Ejercicios del 2.69 al 2.74
2 Wark, K., & Richards, D. E. (2001). Termodinámica. McGraw-Hill.
Ejercicio del 2.13 al 2.21IEjercicios del 2.39 a 2.65
Las respuestas a algunos de los ejercicios planteados están en el apéndicerespectivo (WARK) o incluso están en el enunciado planteado (WARK)
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