unidad 3. primera ley de la termodinámica

Unidad 3
PIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
La primera ley de la termodinámica o Primer Principio de la termodinámica es una aplicación
de la ley universal de conservación de la energía a la termodinámica y, a su vez, identifica el
calor como una transferencia de energía. Uno de los enunciados de la primera ley de la
termodinámica es el siguiente:
El incremento de la energía interna de un sistema termodinámico es igual a la diferencia entre la
cantidad de calor transferida a un sistema y el trabajo realizado por el sistema a sus
alrededores.
Conservación de la energía
La ley de la conservación de la energía constituye el primer principio de la termodinámica y
afirma que la cantidad total de energía en cualquier sistema aislado (sin interacción con ningún
otro sistema) permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede transformarse en
otra forma de energía. En resumen, la ley de la conservación de la energía afirma que la energía
no puede crearse ni destruirse, sólo se puede cambiar de una forma a otra, por ejemplo, cuando
la energía eléctrica se transforma en energía calorífica en un calentador
Aplicaciones de la Primera Ley

Sistemas cerrados:
Un sistema cerrado es uno que no tiene entrada ni salida de masa. El sistema cerrado tiene
interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, así como puede realizar trabajo de
frontera.
La ecuación general para un sistema cerrado (despreciando energía cinética y potencial) es:
Q − W = ΔU
Donde Q es la cantidad total de transferencia de calor hacia o desde el sistema (positiva cuando
entra al sistema y negativa cuando sale de éste), W es el trabajo total (negativo cuando entra al
sistema y positivo cuando sale de éste) e incluye trabajo eléctrico, mecánico y de frontera; y U es
la energía interna del sistema.
Q ( - ) salida de calor
Q ( + ) entrada de calor

Sistemas abiertos
Un sistema abierto es aquel que tiene entrada y/o salida de masa, así como interacciones de
trabajo y calor con sus alrededores, también puede realizar trabajo de frontera.
La ecuación general para un sistema abierto es:
O igualmente:
Q − W + ∑ minθin − ∑ moutθout = ΔEsistema
in
out
Donde in representa todas las entradas de masa al sistema; out representa todas las salidas de
masa desde el sistema; y θ es la energía por unidad de masa del flujo y comprende entalpía,
energía potencial y energía cinética,
.
La energía del sistema es

Sistemas abiertos en estado estacionario
El balance de energía se simplifica considerablemente para sistemas en estado estacionario
(también conocido como estado estable). En estado estacionario se tiene ΔEsistema = 0, por lo que
el balance de energía queda:

Sistema Aislado
Es aquel sistema en el cual no hay intercambio ni de masa ni de energía con el exterior.
Análisis como queda la ecuación de la primera ley de la termodinámica para éste sistemas?
EL Calor
Es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas que
forman la materia. El calor puede ser generado por reacciones químicas (como en la
combustión), nucleares (como en la fusión nuclear de los átomos de hidrógeno que tienen lugar
en el interior del Sol), disipación electromagnética (como en los hornos de microondas) o por
disipación mecánica (fricción). Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica,
según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se
equilibre. El calor puede ser transferido entre objetos por diferentes mecanismos, entre los que
cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos
reales todos los mecanismos anteriores se encuentran presentes en mayor o menor grado.
El calor que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de transformación
que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino. Los cuerpos no tienen calor,
sino energía interna. El calor es la transferencia de parte de dicha energía interna (energía
térmica) de un sistema a otro, con la condición de que estén a diferente temperatura.
MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Conducción: hace referencia a la transferencia intermolecular, o sea de moléculas a moléculas
y se da en sólidos, líquidos y gases.
Conducción: en gases y líquidos se debe al movimiento intermolecular en sólido a la vibración
de molecular.
Ley de conducción ley fourier Q=-KAdt/dx
Indica que el calor conducido enana dirección es proporcional al gradiente de temperatura en
una dirección específica.
Q = -kAdt/dx
-KA(T2 – T1)/x
K cuando es grande los elementos altamente conductibles metales, vidrios
K cuando es menor para elementos pobres en conducción por ejemplo madera, agua.
Convección es la transferencia de un sólido y un gas o líquido en movimiento
Convección forzada se forza la circulación del aire por medio de equipos mecánicos
Convención natural se hace circular agua de forma natural
Ley de enfriamiento de Newton
Q=hA( Ts – Tf )
Q= tasa de flujo de calor
h= coeficiente de transferencia de calor por convección
A = área en la cual ocurre la transferencia de calor
Ts= Temperatura del sólido
Tf= Temperatura fluido
El coeficiente de transferencia de calor convección se habla experimentalmente y es producto de
la geometría del cuerpo o área de transferencia del fluido
Radiación es la energía emitida por ondas electromagnéticas o fotón sol, foco, etc.
No se requiere la presencia de un medio, y no se disminuye o obtener en el vacio, es la formar
como se trasmite la luz del sol, a la tierra.
La radiación térmica es importante en los estudios de transferencia de calor porque es la
cantidad de calor emitida por los cuerpos debido a su temperatura.
Ley de Stefan Boltzman
Q  ATs 4
Donde σ constante de Stefan Bolztman = 5,67X10-8 w/m2k4
Ts = temperatura de la superficie
El cuerpo que emite radiación a la tasa máxima es llamado cuerpo negro
Qend  ATs 4
Donde ξ es la emisividad suele estar entre 0 <ξ > 1 es la cantidad que emite un cuerpo para
los cuerpos negros ξ = 1.
La absorbancia α suele estar entre los valor de 0 <α > 1 y es la cantidad que recibe o absorbe
un cuerpos.
Qabs  Qinc
El calor de radiación puede ser calculado por la siguiente relación
Q  A(Ts 4  Talrededores 4 )
Ejercicio
Considere a una persona que se encuentra en un cuarto a 20C, determine la transferencia de
calor total desde esta persona con los alrededores, si el área expuesta es de A= 1,6m2, y
temperatura de T= 34C con un coeficiente de calor por convección de h= 6w/m2k, y una
constante de emisividad de ξ = 0,95.
R/ Qtotal = Qrad + Qconv+Qcond
EL TRABAJO
En mecánica, el trabajo efectuado por una fuerza aplicada sobre una partícula durante un cierto
desplazamiento se define como la integral del producto escalar del vector fuerza por el vector
desplazamiento. El trabajo es una magnitud física escalar, y se representa con la letra
(del
inglés Work)
En termodinámica el trabajo que se realiza cuando un gas se expande o se comprime ejerciendo
una presión desde un volumen A hasta otro volumen B viene dado por
El trabajo es, en general, dependiente de la trayectoria y, por lo tanto, no constituye una
variable de estado. La unidad básica de trabajo en el Sistema Internacional es newton × metro y
se denomina joule o julio, y es la misma unidad que mide la energía. Por eso se entiende que la
energía es la capacidad para realizar un trabajo o que el trabajo provoca una variación de
energía.
Criterio de signos termodinámico
El criterio de signos que se suele utilizar en termodinámica para evaluar los intercambios entre
un sistema y el entorno de energía en forma de calor y trabajo es el siguiente según la IUPAC
(International Union of Pure and Applied Chemistry):


Positivo para el trabajo cedido por el sistema y el calor entregado al sistema.
Negativo para el trabajo entregado al sistema y el calor cedido por el sistema.
De este modo el trabajo se define como una transferencia de energía que puede expresarse según
la siguiente ecuación en un proceso reversible.
Por ejemplo, en una expansión isobárica, el volumen final VB es mayor que el volumen inicial VA,
luego
y el sistema realiza un trabajo sobre su entorno, cediendo trabajo para
pasar el estado inicial A al estado final B, luego WAB > 0.
Ejercicios de aplicación