Universidad Nacional Autónoma de México

Facultad de Ingeniería

Laboratorio de Termodinámica

Práctica 5: Conversión de Trabajo en Calor

Conceptos teóricos.

Energía. Un cuerpo posee energía cuando es capaz de realizar algúntipo de transformación/cambio.

Química, mecánica, térmica, eléctrica, nuclear, etc.

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Fig. 1 Fig. 2

Energía Interna. Suma de diversas formas de energía que poseen lasmoléculas y los átomos de un cuerpo.

Un joule es la cantidad de energía utilizada al aplicar una fuerza deun newton en una distancia de un metro.

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𝐿𝐿𝐿𝐿 𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝐿𝐿𝑢𝑢 𝑢𝑢𝑑𝑑 𝑙𝑙𝐿𝐿 𝑑𝑑𝑢𝑢𝑑𝑑𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝐿𝐿 𝑑𝑑𝑒𝑒 𝑑𝑑𝑙𝑙 𝑗𝑗𝑗𝑗𝑢𝑢𝑙𝑙𝑑𝑑 [ 𝐽𝐽 ]

1 𝐽𝐽 = 1 [𝑁𝑁 � 𝑚𝑚]

Energía Cinética.

Energía Potencial.

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𝐸𝐸𝐸𝐸 = 𝑚𝑚𝑣𝑣2

2𝑘𝑘𝐽𝐽 𝑑𝑑𝑒𝑒 =

𝑣𝑣2

2𝑘𝑘𝐽𝐽𝑘𝑘𝑒𝑒

𝐸𝐸𝐸𝐸 = 𝑚𝑚𝑒𝑒𝑚𝑚 𝑘𝑘𝐽𝐽 𝑑𝑑𝑝𝑝 = 𝑒𝑒𝑚𝑚𝑘𝑘𝐽𝐽𝑘𝑘𝑒𝑒

Energía total de un sistema:

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𝐸𝐸 = 𝑈𝑈 + 𝐸𝐸𝐸𝐸 + 𝐸𝐸𝐸𝐸 𝑘𝑘𝐽𝐽

𝐸𝐸 = 𝑈𝑈 + 𝑚𝑚𝑣𝑣2

2+ 𝑚𝑚𝑒𝑒𝑚𝑚 𝑘𝑘𝐽𝐽

Trabajo. Transferencia de energía relacionada con una fuerza queactúa a lo largo de una distancia.

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𝐿𝐿𝐿𝐿 𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝐿𝐿𝑢𝑢 𝑢𝑢𝑑𝑑𝑙𝑙 𝑡𝑡𝑒𝑒𝐿𝐿𝑡𝑡𝐿𝐿𝑗𝑗𝑗𝑗 𝑑𝑑𝑒𝑒 𝑑𝑑𝑙𝑙 𝑗𝑗𝑗𝑗𝑢𝑢𝑙𝑙𝑑𝑑 [ 𝐽𝐽 ]

𝑊𝑊 = �𝐹𝐹 � 𝑢𝑢𝑑𝑑

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𝑊𝑊 = 𝐹𝐹(𝑢𝑢2 − 𝑢𝑢1)

𝑊𝑊 = 𝐹𝐹 � 𝑢𝑢 � cos𝜃𝜃

Energía Mecánica. Energía que se puede convertir completamente entrabajo mecánico mediante un dispositivo mecánico.

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𝑑𝑑𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 =𝐸𝐸𝜌𝜌

+𝑣𝑣2

2+ 𝑒𝑒𝑚𝑚

∆𝑑𝑑𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚=𝐸𝐸2 − 𝐸𝐸1

𝜌𝜌+𝑣𝑣22 − 𝑣𝑣12

2+ 𝑒𝑒 𝑚𝑚2 − 𝑚𝑚1

𝑘𝑘𝐽𝐽𝑘𝑘𝑒𝑒

Trabajo Eléctrico.

Trabajo de Resorte.

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𝑊𝑊𝑚𝑚𝑒𝑒𝑒𝑚𝑚𝑒𝑒𝑒𝑒𝑚𝑚𝑚𝑚𝑒𝑒 = �1

2𝑉𝑉 � 𝐼𝐼 � 𝑢𝑢𝑡𝑡 𝑘𝑘𝐽𝐽

𝑊𝑊𝑒𝑒𝑚𝑚𝑟𝑟𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑚𝑚 =12𝑘𝑘(𝑑𝑑22 − 𝑑𝑑12) 𝑘𝑘𝐽𝐽

𝑘𝑘 = 𝐸𝐸𝑡𝑡𝑑𝑑.𝑢𝑢𝑑𝑑𝑙𝑙 𝑒𝑒𝑑𝑑𝑒𝑒𝑗𝑗𝑒𝑒𝑡𝑡𝑑𝑑 [𝑁𝑁/𝑚𝑚]

Trabajo de Flecha.

Trabajo hecho sobre barras sólidas.

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𝑊𝑊𝑓𝑓𝑒𝑒𝑚𝑚𝑚𝑚𝑓𝑚𝑚 =𝑇𝑇𝑒𝑒

2𝜋𝜋𝑒𝑒𝑁𝑁 = 2𝜋𝜋𝑁𝑁𝑇𝑇 𝑘𝑘𝐽𝐽

𝜎𝜎 = 𝐸𝐸𝑒𝑒𝐸𝐸𝑢𝑢𝑑𝑑𝑒𝑒𝑚𝑚𝑗𝑗 𝑢𝑢𝑗𝑗𝑒𝑒𝑚𝑚𝐿𝐿𝑙𝑙

𝑊𝑊𝑚𝑚𝑒𝑒𝑚𝑟𝑟𝑒𝑒𝑚𝑚𝑚𝑚𝑒𝑒 = �1

2𝐹𝐹 � 𝑢𝑢𝑑𝑑 = �

1

2𝜎𝜎 � 𝐴𝐴 � 𝑢𝑢𝑑𝑑 𝑘𝑘𝐽𝐽

Calor. Energía que se transmite de un cuerpo a otro, debido a unadiferencia de temperaturas.

Caloría. Cantidad de calor que debe transmitirse a un gramo de aguapara que su temperatura se eleve un grado centígrado.

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𝑈𝑈𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝐿𝐿𝑢𝑢𝑑𝑑𝑒𝑒: 𝑗𝑗𝑗𝑗𝑢𝑢𝑙𝑙𝑑𝑑 𝐽𝐽 𝑦𝑦 𝑙𝑙𝐿𝐿 𝑒𝑒𝐿𝐿𝑙𝑙𝑗𝑗𝑒𝑒𝑒𝐿𝐿 [𝑒𝑒𝐿𝐿𝑙𝑙]

1 𝑒𝑒𝐿𝐿𝑙𝑙 = 4.18 [𝐽𝐽]

La cantidad de calor (ΔQ) absorbida o liberada por un cuerpo,cuando existe una diferencia de temperatura, sin la existencia deun cambio de fase:

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Δ𝑄𝑄 = 𝑚𝑚 � 𝑒𝑒 � ∆𝑇𝑇 [ 𝐽𝐽 ]

𝑚𝑚 → 𝑚𝑚𝐿𝐿𝑒𝑒𝐿𝐿 𝑘𝑘𝑒𝑒∆𝑇𝑇 → 𝑇𝑇𝑓𝑓 − 𝑇𝑇𝑚𝑚 ℃𝑒𝑒 → 𝑒𝑒𝐿𝐿𝑝𝑝𝐿𝐿𝑒𝑒𝑢𝑢𝑢𝑢𝐿𝐿𝑢𝑢 𝑡𝑡𝑒𝑒𝑒𝑚𝑚𝑢𝑢𝑒𝑒𝐿𝐿 𝑑𝑑𝑒𝑒𝑝𝑝𝑑𝑑𝑒𝑒𝑒𝐸𝐸𝑢𝑢𝑒𝑒𝐿𝐿 ⁄𝐽𝐽 𝑘𝑘𝑒𝑒 � ℃

Experimento de Joule.

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Obtener la relación entre una unidad común de calor y una unidad paracualquier forma de trabajo.

Cuantos joules se necesitan transformar para obtener una caloría.

4.18 𝐽𝐽 = 1 [𝑒𝑒𝐿𝐿𝑙𝑙]

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Experimento de Joule.

Fig. 3

Fig. 4

Trabajo mecánico.

Energía interna.

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𝑊𝑊𝑓𝑓𝑒𝑒𝑚𝑚𝑚𝑚𝑓𝑚𝑚 = 2𝜋𝜋 � 𝑁𝑁 � 𝑚𝑚 𝑘𝑘𝑒𝑒 � 𝑒𝑒 ⁄𝑚𝑚 𝑒𝑒2 � 𝑒𝑒 𝑚𝑚 [𝐽𝐽]

∆𝑈𝑈 = 𝑚𝑚 𝑒𝑒 � 𝑒𝑒 ⁄𝑒𝑒𝐿𝐿𝑙𝑙 𝑒𝑒 � ℃ � (𝑇𝑇𝑓𝑓 − 𝑇𝑇𝑚𝑚) ℃ [𝑒𝑒𝐿𝐿𝑙𝑙]

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𝑑𝑑 𝐽𝐽 = 𝑦𝑦 𝑒𝑒𝐿𝐿𝑙𝑙

𝑑𝑑𝑦𝑦𝐽𝐽 = 1 𝑒𝑒𝐿𝐿𝑙𝑙

𝐸𝐸𝐸𝐸𝑄𝑄 =𝑊𝑊[𝐽𝐽]

∆𝑈𝑈[𝑒𝑒𝐿𝐿𝑙𝑙]

𝐸𝐸𝐸𝐸𝑄𝑄 = 𝐸𝐸𝐸𝐸𝑢𝑢𝑢𝑢𝑣𝑣𝐿𝐿𝑙𝑙𝑑𝑑𝑢𝑢𝑡𝑡𝑑𝑑 𝐸𝐸𝑑𝑑𝑒𝑒𝑚𝑢𝑢𝑢𝑢𝑒𝑒𝑗𝑗 𝑢𝑢𝑑𝑑𝑙𝑙 𝐸𝐸𝐿𝐿𝑙𝑙𝑗𝑗𝑒𝑒

Laboratorio de Termodinámica

• Yunus A. Cengel. Termodinamica. Octava edición. 2015. Mc Graw Hill.

• Yunus A. Cengel. Mecánica de Fluidos. Fundamentos y aplicaciones. 2006. Mc Graw Hill.

Bibliografía:

Laboratorio de Termodinámica

• Fig. 1. Extraída de: https://www.arqhys.com/arquitectura/fotos/arquitectura/La-energia-alterna.jpg

• Fig. 2. Extraída de: http://revistasumma.com/bid-financiara-proyectos-de-energia-limpia-a-productores-de-republica-dominicana/

• Fig. 3. Extraída de: https://www.aulafacil.com/cursos/fisica/termodinamica-e-hidrodinamica/experimento-de-joule-l30243

• Fig. 4. Extraída de: http://www.sabelotodo.org/fisica/leyestermodinamica.html

Referencias:

Laboratorio de Termodinámica

Elaborado por:M. I. Alfonso Palacios Muñoz

Revisado por:Jefe de Academia de Termodinámica:

Ing. Martín Bárcenas EscobarJefa de Academia de Laboratorios:Q. Antonia del Carmen Pérez León

Jefa de Departamento de Física y Química:Q. Esther Flores Cruz

Responsable de Laboratorio de Termodinámica:Ing. Alejandro Rojas Tapia

Profesores:M. en I. Abraham Martínez Bautista

M. en I. Omar de Jesús PérezI.Q. Miriam Arenas Sáenz

Ing. Ma. Guadalupe Pérez HernándezAyudante de profesor:

Miriam del Carmen Medina López