Transferencia de Energía Por Calor, Trabajo y Masa

8/17/2019 Transferencia de Energía Por Calor, Trabajo y Masa

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Transferencia de enpor calor, trabajo y


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• 3.1 Transferencia de calor

• 3.2 Transferencia de energía por trabajo

• 3.3 Principio de conservación de la masa

• 3.4 Primera ley de la Termodinámica

• 3.5 Balance de energía en sistemas

• abiertos y cerrados

• 3.6 Aplicaciones


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• Segunda Ley de la Termodinámica.

• 4.1 Introducción

• 4.2 Depósitos y Maquinas Térmicas

• 4.3 Eficiencia de conversión de energía

• 4.4 Refrigeradores y Bombas de calor

• 4.5 Segunda ley de la termodinámica

• 4.6 Ciclo de Carnot y escala absoluta

• 4.7 Entropía

• Unidad 5: Aplicaciones

• 5.1 Exergia

• 5.2 Ciclos de Potencia

• 5.3 Ciclos de Refrigeración


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Introducción

• La “conservación de energía” es la conservación de la calidad deno la cantidad.


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Formas de energía

• Térmica, Mecánica, Cinética, Potencial, Eléctrica, Magnética, QNuclear.

•

Entonces, la suma de estas energías, es la energía total E de uncual se denota por unidad de masa mediante e.

• =


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• Las diversas formas de energía que conforman la energía total dsistema son:

• macroscópicas y microscópicas

• La suma de todas las formas microscópicas de energía se denominterna de un sistema y se denota mediante U .


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• La energía que posee un sistema como resultado de su movimiento ecierto marco de referencia se llama energía cinética (EC).

• donde V es la velocidad del sistema con respecto a algún marco de re

(po


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• La energía que posee un sistema como resultado de su incremeen un campo gravitacional se llama energía potencial (EP).

• Energía total= Energía Cinética + Energía Potencial + Energía In


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• El flujo másico m, es la cantidad de masa que fluye por una seccitransversal por unidad de tiempo; y se relaciona con el flujo voludefinido como el volumen de un fluido que fluye por una secciópor unidad de tiempo, mediante

• = , donde ρ es la densidad del fluido, At el área de secciónde flujo y V prom es la velocidad media del flujo normal a At.


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Energía interna

• Diversas formas deenergías microscópicasconstituyen la energíasensible o energía

cinética de lasmoléculas.

La energía interna de un sistema es la

suma de todas las formas de energías

microscópicas.


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Las únicas dos formas de interacción de erelacionadas con un sistema cerrado so

transferencia de calor y el trabajo• El calor es una forma de energía como energía térmica.

La energía cinética macroscópica es una

forma organizada de energía y es muchomás útil que las energías cinéticas microscópicasdesorganizadasde las moléculas.


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Energía nuclear• La reacción de fisión más conocida tiene que ver con la división del át

uranio (el isótopo U-235) en otros elementos y se usa habitualmente p

electricidad en las centrales de energía nuclear (hasta 2004, a nivel m440 de ellas, las cuales generaban 363 000 MW), para impulsar submaportaaviones e incluso naves espaciales, así como en la producción denucleares.

Fisión de uranio y

fusión de hidrógeno

en las reacciones

nucleares, con su

consecuente

liberación deenergía nuclear.


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Ejemplo

• En promedio, un automóvil consume alrededor de 5 L de gasolina pocapacidad de su depósito de combustible es de 50 L. Por lo tanto, es nreabastecer un automóvil una vez cada 10 días. Asimismo, la densidagasolina varía entre 0.68 y 0.78 kg/L, y su poder calorífico inferior esaproximadamente de 44 000 kJ/kg (es decir, cuando se quema por code gasolina se liberan 44 000 kJ de calor). Suponga que están resueltoproblemas relacionados con la radiactividad y la eliminación de los deproducidos por los combustibles nucleares, y que un automóvil nuevocomo combustible U-235. Si el carro viene equipado con 0.1 kg de U-2si este automóvil requerirá ser reabastecido en condiciones de manej


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Energía Mecánica

• La energía mecánica se puede definir como la forma de energíaconvertir completamente en trabajo mecánico de modo directo mdispositivo mecánico como una turbina ideal .

• (la cinética y la potencial)

• (la energía mecánica de un fluido en movimiento por unidad de

• P/ρ es la energía de flujo, V 2/2 es la energía cinética y gz es la ene

• potencial del fluido, todas por unidad de masa.


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Ejemplo, energía eolica

• Un sitio evaluado para construir un parque eólico tiene vientos pa una velocidad de 8.5 m/s (Fig. 2-12). Determine la energía eól

unidad de masa, b) para una masa de 10 kg y c) para un flujo de aire.


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Transferencia de energía por calo

• La energía puede cruzar la frontera de un sistema cerrado en dodistintas: calor y trabajo.

• El calor se define como la forma de energía que se transfiere entr

• sistemas (o entre un sistema y el exterior) debido a una diferencia temperatura


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La energía se reconoce como transferenciasólo cuando cruza las fronteras del siste

• Entermodinámicael término calor

significasimplementetransferencia decalor .


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Un proceso durante el cual no hay transferecalor se denomina proceso adiabátic

• Durante un proceso adiabático, un sistema no intercambia caloexterior.


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• El calor se transfiere mediante tres mecanismos: conducción, coradiación. La conducción es la transferencia de energía de las penergéticas de una sustancia a las adyacentes menos energéticresultado de la interacción entre partículas. La convección es la

transferencia de energía entre una superficie sólida y el fluido aque se encuentra en movimiento, y tiene que ver con los efectocombinados de la conducción y el movimiento del fluido. La radtransferencia de energía debida a la emisión de ondas electromfotones).


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TRANSFERENCIA DE ENERGÍA PTRABAJO

• si la energía que cruza la frontera de un sistema cerrado no es calor, deb

• El trabajo por unidad de masa de un sistema

• El trabajo realizado por unidad de tiempo se llama potencia. Las unidapotencia son kJ/s, o kW.


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Direcciones de calor y trabajo.

• La transferencia de calor hacia un sistema y el trabajo hecho por uson positivos; la transferencia de calor desde un sistema y el trabasobre un sistema son negativos.


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El calor y el trabajo sonmecanismos de transferencia de energía en

sistema y el exterior.• Tanto el calor como el trabajo pueden ser reconocidos en las frontera

sistema cuando las cruzan; es decir, son fenómenos de frontera.

• Los sistemas poseen energía, pero el calor o el trabajo no.

•Ambos se relacionan con un proceso, no con un estado. A diferencia dpropiedades, ni el calor ni el trabajo tienen significado en un estado.

• Ambos son función de la trayectoria (es decir, sus magnitudes depend

trayectoria seguida durante un proceso, así como de los estados inici


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Ejemplos de análisis

• ¿Hay alguna transferencia de calor durante este proce

combustión?

• ¿Hay algún cambio en la energía interna del sistema?


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• ¿Hay alguna transferencia de calor durante este proceso?


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Calentamiento de un horno

• ¿Se trata de una interacción de calor o trabajo?


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Trabajo Electrico

• We es la potencia eléctrica e I es el número de cargas eléctricas

por unidad de tiempo, es decir, la corriente


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Formas mecánicas de trabajo

• Trabajo de flecha. La transmisión de energía mediante un eje r(flecha) es una práctica muy común en la ingeniería.

n es el número de revoluciones por u


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Ejemplo

• Transmisión de potencia mediante la flecha de un automóvil

• Determine la potencia transmitida por la flecha de un automóvmomento de torsión aplicado es de 200 N · m y la flecha gira a r

4000 revoluciones por minuto (rpm).


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PRIMERA LEY DE LA TERMODINAM

• La energía no se puede crear ni destru proceso; sólo puede cambiar de forma

• Para todos los procesos adiabáticos enestados determinados de un sistema ctrabajo neto realizado es el mismo sin naturaleza del sistema cerrado ni los d

proceso.


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Balance de energía

• PRINCIPIO DE CONSERVACION DE ENERGIA

• El cambio neto (aumento o disminución) de la energía total del sisun proceso es igual a la diferencia entre la energía total que entratotal que sale del sistema durante el proceso.


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Incremento de la energía de un sist∆


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EjercicioEnfriamiento de un fluido caliente en

recipiente• Un recipiente rígido contiene un fluido caliente que se enfría mi

agitado por un ventilador. Al inicio, la energía interna del fluido pero durante el proceso de enfriamiento pierde 500 kJ de calor. la rueda realiza 100 kJ de trabajo sobre el fluido. Determine la einterna final del fluido e ignore la energía almacenada en el ven


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Conservación de la energía para una bde acero oscilante

• Se analizará el movimiento de una bola de acero dentro de un themisférico de radio h. Al inicio la bola se mantiene en el lugar mpunto A, pero después es liberada. Obtenga las relaciones para conservación de energía de la bola tanto para el movimiento sincomo el real.


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EFICIENCIA EN LA CONVERSIÓNENERGÍA

• Eficiencia de combustión

Poder calorífico: Es la cantidad de calor liberado cuando se quema por com

unidad de combustible y los productos de la combustión se enfrían a la tem

ambiente


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• La eficiencia de un aparato para cocinar se define como

entre la energía útil transferida a los alimentos y la energíaconsume el aparato


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EjercicioCosto de la energía para cocinar con es

eléctricas y de gas• La eficiencia de los aparatos para cocinar afecta la ganancia de calor

interna puesto que un aparato ineficiente consume una mayor cantidadde energía para la misma tarea, mientras el exceso de energíaconsumida se manifiesta como calor en el espacio cercano. La eficienciade los quemadores abiertos se determina como 73 por ciento para las

unidades eléctricas y 38 por ciento para las de gas. Considere unquemador eléctrico de 2 kW en un lugar donde el costo unitario de laelectricidad y el gas natural es de $0.09/kWh y $1.20/termia,respectivamente. Determine la tasa de consumo de energía y el costounitario de ésta, tanto para el quemador eléctrico como el de gas.


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SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAM

•Afirma que la energía tiene calidad así como cantidad.


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Depósitos de energía térmica


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• Un depósito que suministra energía en la forma de calor se llamotro que absorbe energía en la forma de calor se llama sumiderdepósitos de energía térmica suelen denominarse depósitos deporque proveen o absorben energía en forma de calor.


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Maquinas térmicas

•El trabajo se puede convertir en calor de manera directa y por cpero convertir el calor en trabajo requiere usar algunos dispositespeciales.


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• 1. Reciben calor de una fuente a temperatura altsolar, horno de petróleo, reactor nuclear, etcéte

• 2. Convierten parte de este calor en trabajo (poren la forma de una flecha rotatoria).

• 3. Rechazan el calor de desecho hacia un sumidede baja temperatura (la atmósfera, los ríos, etcé

• 4. Operan en un ciclo.


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• Qentrada cantidad de calor suministrada al vapor en una caldera des

de temperatura alta (horno)

• Qsalida cantidad de calor rechazada del vapor en el condensador hacsumidero de temperatura baja (atmósfera, río, etcétera)

• W salida cantidad de trabajo que entrega el vapor cuando se expandeturbina

• W entrada cantidad de trabajo requerida para comprimir agua a la pr

caldera


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Eficiencia Térmica

•La fracción de la entrada de calor que se convierteen salida de trabajo neto es una medida deldesempeño de una máquina térmica


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Ejercicios

Producción de potencia neta de una máquina

• Se transfiere calor a una máquina térmica desa una tasa de 80 MW. Si la tasa de rechazo deun río cercano es 50 MW, determine la salida neta y la eficiencia térmica para esta máquina


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Tasa de consumo de combustible de un aut

• Un motor de automóvil con una salida de p65 hp tiene una eficiencia térmica de 24 poDetermine la tasa de consumo de combustautomóvil si el combustible tiene un poder19 000 Btu/ lbm (es decir, 19 000 Btu de eneliberan por cada lbm de combustible quem


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REFRIGERADORES Y BOMBAS DE C

• Los refrigeradores y las bombas de calor, son dispositivos cíclico


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Coeficiente de desempeño

• Refrigeración


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Coeficiente de desempeño

• Bomba de calor


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La segunda ley de la termodinámenunciado de Kelvin-Planck

• Es imposible que un dispositivo que opera en un ciclo reciba caldepósito y produzca una cantidad neta de trabajo.

• “Ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia térmica de ciento”


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La segunda ley de la termodinámenunciado de Clausius

• Es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo sin qningún otro efecto que la transferencia de calor de un cuerpo de

temperatura a otro de mayor temperatura.

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