Termodinámica Unidad 3 Primera Ley

Termodinámica:
Primera Ley de la Termodinámica
Presenta: M. I. Ruiz Gasca Marco Antonio
Instituto Tecnológico de Tláhuac II
Septiembre, 2015
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Septiembre, 2015
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1
Introducción y objetivo
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3.1 Transferencia de energía por calor, trabajo y masa
3
Ejercicio 1
4
3.2 Ecuación general de la Energía
5
Ejercicio 2
6
3.3 Balance de energía para sistemas cerrados
7
3.4 Balance de energía para sistemas de flujo estable.
8
3.5 Balance de energía para sistemas de flujo No estable.
9
Ejercicio 3 y 4
10
Conclusiones
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Introducción y objetivo
Objetivo:
Aplicar la primera ley de la termodinámica para realizar balances de
energía en sistemas cerrados y abiertos.
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Introducción y objetivo
Acerca de la primera ley:
Como una de las leyes más importantes de la termodinámica nos introduce el
principio general de conservación de la energía, lleva al concepto de energía
interna de una sustancia. El estudio de estos principios nos permite relacionar
los cambios energéticos en las fronteras de un sistema.
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3.1 Transferencia de energía por calor, trabajo y masa
Primera Ley de la Termodinámica:
Transferencia de energía por calor, trabajo y masa.
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3.1 Transferencia de energía por calor, trabajo y masa
Joule y el equivalente mecánico del calor
Los resultados experimentales de James Prescott Joule (1818-1889) con el
siguiente dispositivo:
Arrojan la siguiente equivalencia: El trabajo de 4,184J es necesario para
elevar la temperatura de 1g de agua en 1◦ C.
El equivalente mecánico del calor queda:
4,184J(mecánica) = 1cal(térmica)
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Ejercicio 1
Ejercicio
Se deja caer agua desde una altura h sobre el suelo, en un recipiente
termicamente aislado y lleno de agua. Considere que toda la energía mecánica
potencial en la caída se convierte en calor. ¿Cuál debe ser h para elevar la
temperatura 1◦ C? (tip: Q = mc∆T)
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3.2 Ecuación general de la Energía
Primera Ley de la Termodinámica:
Ecuación general de la energía.
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3.2 Ecuación general de la Energía
Considere el experimento de Joule, pero ahora las paredes aislantes serán
paredes conductoras.
Postulado del Primer principio de la energía
Uno de los posibles postulados de la primera ley es:
La variación de energía interna de un sistema es igual al calor transferido al
sistema más el trabajo realizado por el sistema
Aunque se puede enunciar de diversas formas, está tan bien establecida que no
se cuestiona su validez cuando se aplica adecuadamente a problemas reales.
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3.2 Ecuación general de la Energía
Ecuación General de la Energía
Para un sistema cerrado es:
∂Q = dE − ∂W
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Ejercicio 2
Ejercicio
[Primera ley] Agitación del agua: Un sistema consiste en 3kg de agua. Sobre
él se realiza un trabajo de 25 kJ agitándolo con un mecanismo. Durante el
proceso, 15 kcal de calor se escapan del sistema debido a imperfecciones en el
aislamiento. ¿Cuál es la variación de energía interna?
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3.3 Balance de energía para sistemas cerrados
Primera Ley:
Balance de energía para sistemas cerrados.
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3.3 Balance de energía para sistemas cerrados
Ecuación de conservación de energía para un sistema cerrado
También conocida como balance energético general para un sistema cerrado
además de ser como se expresa la primera Ley:
∆Emc = Q + W
donde Em c es la energía de la masa de control. Con palabras:
Variación de energía del sistema =
Transferencia neta de energía al sistema mediante interacción de calor+
Transferencia neta de energía al sistema mediante interacción de trabajo.
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3.3 Balance de energía para sistemas cerrados
Forma Diferencial
Además de la presentada anteriormente, la forma referida al tiempo del
balance de energía para sistemas cerrados:
dEmc
= Q̇neto + Ẇneto
dt
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3.4 Balance de energía para sistemas de flujo estable.
Fundamento teórico:
Balance de energía para sistemas de flujo estable.
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3.4 Balance de energía para sistemas de flujo estable.
Proceso cíclico estable
1.- Para un sistema cerrado que experimenta un procesos cíclico, el principio
de conservación queda:
I
I
∂Q +
∂W = 0
Régimen estacionario
2.- Cuando un sistema funciona en régimen estacionario, el tiempo deja de
ser una variable del problema, esto significa:
dE
=0
dt
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3.4 Balance de energía para sistemas de flujo estable.
Algunos dispositivos que pueden trabajar en procesos de flujo estable durante
su operación:
Figura: Bomba (aumento de presión).
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Figura: Compresor (cambio de volumen)
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3.4 Balance de energía para sistemas de flujo estable.
Algunos dispositivos que pueden trabajar en procesos de flujo estable durante
su operación:
Figura: Turbina (disminución de presión,
pero velocidad de salida mayor)
Figura: Toberas y Difusores
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3.5 Balance de energía para sistemas de flujo No estable.
Primera Ley de la termodinámica:
Balance de energía para sistemas de flujo No estable.
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3.5 Balance de energía para sistemas de flujo No estable.
Sistemas de flujo no estable
De igual manera que lo visto en la unidad 1 para el caso de la masa, un
régimen no estable conduce a estados transitorios, es decir:
dE
6= 0
dt
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Ejercicio 3 y 4
Ejercicios
Dos sistemas cerrados, A y B experimentan un proceso en el cual se
transfieren trabajo, y la energía de cada uno aumenta.
(a) En el sistema A, el trabajo transferido al sistema es 100,0 kJ, y la
energía total aumenta en 55,0 kJ.
(b) En el sistema B, el sisema realiza un trabajo de 77,800 ft lbf ,
mientras que la energía total aumenta en 55 Btu. Encuéntrese el calor
transferido en el sistema A en kJ y en el sistema B en Btu. Comentese si
se suministra o se extrae del sistema.
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Ejercicio 3 y 4
Ejercicios
A un sistema cerrado se le suministra energía mediante una resistencia
eléctrica y una rueda de paletas, 188.5 y 30.0 W respectivamente. La ecuación
del flujo de calor cedido al entorno está dada por
Q̇sal = 218,5(1 − exp(−0,03t)), donde t está en segundos y Q̇ en vatios.
(a) Determinese la ecuación de la
variación de energía del sistema
dE
respecto al tiempo
en función del
dt
tiempo.
(b) Represéntese gráficamente esta
relación funcional para los 3 primeros
minutos de funcionamiento.
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Conclusiones
Conclusiones y parte final
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Conclusiones
Gracias por su atención
Sección de preguntas, discusión, comentarios y
conclusiones
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