CAPITULO 3 RELACIONES DE ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR

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1 CAPITULO 3 RELACIONES DE ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR
OBJETIVOS: Introducir el concepto básico de Energía y trabajo. Introducir los conceptos básicos de transferencia de calor incluyendo conducción, convección y radiación. Presentar ejemplos y problemas de práctica que ilustran los conceptos estudiados. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

2 Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
3.1 INTRODUCCIÓN En la Física se analizan formas de energía como la potencial gravitatoria y la cinética, así como otras formas de energía asociadas a los campos eléctricos y magnético. El estudio de la energía asociada a las fuerzas de enlace atómicas y nucleares tiene una gran importancia para el químico. El estudio de los principios de la termodinámica permite relacionar los cambios de estas y otras formas de energía dentro de un sistema con las interacciones energéticas en las fronteras de un sistema. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

3 3.2. NATURALEZA DE LA ENERGÍA
Al mirar a nuestro alrededor se observa que las plantas crecen, los animales se trasladan y que las máquinas y herramientas realizan las más variadas tareas. Todas estas actividades tienen en común que precisan del concurso de la energía. La energía es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza. La energía se manifiesta en los cambios físicos, por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo. La energía está presente también en los cambios químicos, como al quemar un trozo de madera o en la descomposición de agua mediante la corriente eléctrica. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

4 3.2. NATURALEZA DE LA ENERGÍA
La energía puede existir en varias formas: térmica, mecánica, cinética, potencial, eléctrica, química y nuclear, cuya suma conforma la energía total E de un sistema. FORMAS DE ENERGÍA Todos los tipos de energía E pueden clasificarse o como energía cinética (Ec) debido al movimiento de un cuerpo, o bien como energía potencial (Ep) debida a la posición de un cuerpo relativa a un campo de fuerzas de otros cuerpos. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

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Además los tipos de energía pueden clasificarse o en extrínsecos (ext) o en intrínsecos (int). De la física clásica puede demostrarse que la energía cinética total de un sistema de partículas puede expresarse como suma de tres términos. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

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La energía potencial total de un sistema puede expresarse como suma de cuatro cantidades separadas. Las energías electrostáticas, magnetostática y macroscópica rotacional, no se consideran en este capítulo. Despreciando estos términos la ecuación es: Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

7 Los dos últimos términos anteriores no se pueden medir directamente.
La suma de estas dos contribuciones microscópicas a la energía se define como energía interna U de la sustancia del sistema. La función de energía interna, como se ha definido por la ecuación anterior, es una propiedad extensiva, intrínseca de una sustancia en estado de equilibrio. En ausencia de cambios de fase, reacciones químicas y reacciones nucleares, la energía interna U se denomina a veces energía sensible del sistema. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

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Tomando como base el estudio anterior la ecuación de la energía total de un sistema se convierte en: Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

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3.3 MEDICIÓN DE LA ENERGÍA No se acostumbra medir la energía de un cuerpo o sistema, pero sí la variación de energía que se experimenta en un cuerpo o sistema, ya que es más fácil determinar estas variaciones de energía que pueden experimentar cuerpos o sistemas y se los hace dicha medida con referencias arbitrarias. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

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3.3 MEDICIÓN DE LA ENERGÍA De acuerdo a la ley de la relatividad de Albert Einstein, la masa puede convertirse en energía y la energía en masa de acuerdo a la famosa ecuación: E = m c2 Donde: c; es la velocidad de la luz c = 3x108 m/s Basándose en la teoría general de la relatividad, Einstein pudo entender las variaciones hasta entonces inexplicables en el movimiento de rotación de los planetas, y logró predecir la inclinación o desviación que sufre la luz de las estrellas al aproximarse a cuerpos como el Sol. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

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3.3 MEDICIÓN DE LA ENERGÍA La unidad de energía que se usó en el pasado y que actualmente se usa en forma de calor es Caloría o kilocaloría y para la energía en forma de trabajo se usaba el kilopondio-metro [kp.m] en el sistema técnico. En el sistema internacional de unidades como unidad de energía se utiliza el Julio, kilojulio, para todas las formas de energía y en casos especiales en kWh (unidad derivada de la energía) Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

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El BTU es una unidad de energía en forma de calor en el sistema Ingles y se define la cantidad de calor que se suministra a una libra de agua para elevar su temperatura 1º F. 1 BTU = 0,252 Kcal 1 Kcal = 4,186 KJ 1 kWh = 3600 kJ ENERGÍA POTENCIAL GRAVITACIONAL Es el trabajo que se efectúa en el campo gravitacional en dirección de la fuerza de atracción gravitacional, con referencia a niveles arbitrarios. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

13 3.3.1.ENERGÍA POTENCIAL GRAVITACIONAL
Ejemplo si se eleva un objeto cuyo peso es de 98 N, hasta una altura de 10 metros, la capacidad de trabajo posible será de 980 Julios. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

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ENERGÍA CINÉTICA Un cuerpo de masa “m” tiene energía cinética cuando está sometida a una fuerza que la desplaza con una cierta velocidad, por lo tanto podemos decir que esta energía cinética de dicho cuerpo es el trabajo para que adquiera cierta velocidad. F Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

15 3.4 ENERGIA INTERNA. [U];(u)
La energía interna de un cuerpo o sistema (fluido de trabajo) se debe a su actividad interna atómica o molecular, es decir, la energía interna de un cuerpo variará si dicho cuerpo se le comunica o extrae por ejemplo calor y trabajo, debido a esto puede producirse un acercamiento o alejamiento entre átomos o moléculas, lo que se traduciría en una energía potencial interna. También puede producirse al comunicar o extraer energía movimiento en los átomos o moléculas, movimiento de traslación, rotación, o vibratorio traduciéndose en este caso en energía cinética interna. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

16 3.4 ENERGIA INTERNA. [U];(u)
Ejemplos de aplicación: a) Si añadimos calor a un cuerpo en estado sólido o líquido, el aumento de volumen es generalmente imperceptible, en particular tratándose de cantidades razonables pequeñas, y por tanto el trabajo producido puede considerarse nulo. Nada queda tampoco en forma de energía potencial, por tanto toda la energía térmica se transforma en un aumento de la energía cinética de las moléculas. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

17 3.4 ENERGIA INTERNA. [U];(u)
b) Cuando un sólido pasa a fase líquida, podemos decir también que generalmente las variaciones de volumen son despreciables y además no se aprecia variación de temperatura que pueda indicarnos un aumento de la energía cinética de las moléculas. Tendremos aquí por tanto un incremento de energía potencial. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

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Ejemplo Un recipiente rígido contiene un fluido caliente mientras se agita por una rueda de paletas. Al inicio la energía interna del fluido es de 800 kJ de calor, pero durante el proceso de enfriamiento pierde 500 kJ, por su parte la rueda produce 100 kJ de trabajo sobre el fluido. Determine la energía interna final del fluido e ignore la energía almacenada en la rueda de paletas. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

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Solución Considere el contenido del recipiente como el sistema cerrado puesto que ninguna masa cruza sus fronteras durante el proceso. Aplicando el balance de energía sobre el sistema se obtiene: Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

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3.5 TRABAJO Se efectúa trabajo sobre un cuerpo cuando se lo desplaza una cierta distancia por efecto de una fuerza. También efectúa trabajo el cuerpo cuando al desplazarse origina un empuje sobre otro sistema móvil desplazándola (trabajo de un sistema con frontera móvil) Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

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3.5 TRABAJO En las máquinas alternativas se conocen tres clases de trabajo; Trabajo ideal, trabajo indicado y trabajo al freno (llamado también efectivo, útil, en el eje). El trabajo ideal es el que efectúa el fluido operante o sistema en el interior del cilindro sin tomar en cuenta las pérdidas y puede calcularse. El trabajo indicado es el trabajo que efectúa el fluido de trabajo en el interior del sistema tomando en cuenta las pérdidas. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

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3.5 TRABAJO El trabajo para el freno o trabajo efectivo, útil o en el eje es el trabajo medido precisamente en el eje de salida del motor. W = Trabajo ideal (calculable) Wi = Trabajo indicado (medible) WB = Trabajo al freno (medido a la salida del motor) Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

23 3.5.1 TRABAJO DE EXPANSIÓN Y COMPRESIÓN
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24 3.6 Trabajo de un sistema con frontera móvil
Si consideramos un gas como fluido operante, de modo que este se encuentra inicialmente comprimido, luego al expandirse efectúe trabajo de acuerdo a la figura anterior. Cuando se efectúa trabajo al desplazarse el pistón también se va desplazando la frontera del fluido operante o sistema desde el estado 1 hasta el estado 2, pudiendo graficarse esta variación de estado que experimenta el fluido operante. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

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3.7 Potencia La velocidad a la que se realiza trabajo sobre o por el sistema se define como la Potencia. En función de la potencia, el trabajo diferencial puede escribirse como. La potencia mecánica suministrada a un sistema por una fuerza exterior se define como el producto escalar del vector fuerza exterior por el vector velocidad. En cálculos de ingeniería con frecuencia se utiliza como unidad básica el vatio o también el kilovatio (kW) δ; símbolo para un incremento infinitesimal de una función Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

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3.8 Calor ANTECEDENTES HISTÓRICOS El calor siempre se percibió como algo que produce una sensación de calidez, por que se podría pensar que su naturaleza fue una de las primeras cosas que la humanidad entendió. A mediados del siglo XIX se llegó a una verdadera comprensión física sobre la naturaleza del calor, gracias al desarrollo en ese tiempo de la teoría cinética la cual considera a las moléculas como diminutas esferas que se encuentran en movimiento y que por lo tanto poseen energía cinética. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

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3.8 Calor Los experimentos del Ingles James P. Joule ( ) publicados en 1843 son los que finalmente convencieron a los escépticos de que el calor no era una sustancia, así que se desechó la teoría del calórico, esta teoría contribuyó en gran medida al desarrollo de la termodinámica y la transferencia de calor. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

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3.8 Calor El calor se puede transferir de tres formas distintas: conducción, convección y radiación. 3.8.1 Transferencia de calor por conducción La conducción es la transferencia de energía de las partículas más energéticas de una sustancia hacia las adyacentes menos energéticas como resultado de sus interacciones. La conducción puede ocurrir en sólidos, líquidos o gases; en estos dos últimos la conducción se debe a las colisiones de las moléculas durante su movimiento aleatorio mientras que en los sólidos se debe a la combinación de la vibración de las moléculas en una red y el transporte de energía mediante electrones libres. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

29 La ecuación por conducción del calor es:
Que se conoce como ley de Fourier de conducción de calor. El calor es conducido en la dirección de la temperatura decreciente, y el gradiente de temperatura se vuelve negativo cuando la temperatura disminuye con x creciente. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

30 3.8.2 Transferencia de calor por convección
La convección es el modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y líquido o gas adyacente que está en movimiento, y tiene que ver con los efectos combinados de conducción y movimiento del fluido: mientras más rápido sea éste mayor es la transferencia de calor por convección. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

31 Enfriamiento de un huevo hervido por convección forzada
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32 3.8.3 Transferencia de calor por radiación
Radiación es la energía que emite la materia en la forma de ondas electromagnéticas (o fotones) como resultados de cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas. A diferencia de la conducción y la convección, la transferencia de energía por radiación no requiere la presencia de un medio. De hecho, este tipo de transferencia es la más rápida, las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz (c=3x108 m/s) y no experimenta ninguna atenuación en un vacío. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

33 3.8.3 Transferencia de calor por radiación
Las energías radiantes podemos mencionar: Los rayos cósmicos Rayos x Rayos gama Rayos ultravioleta La luz visible Rayos infrarrojos Ondas de radio Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

34 3.9 Calor generado por la combustión
La combustión es la reacción química violenta de dos cuerpos el comburente (oxígeno) y el combustible que se produce con gran desprendimiento de calor. Químicamente definimos como una oxidación instantánea del combustible frente al contacto del oxígeno. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

35 3.9 Calor generado por la combustión
Los tres elementos activos mas importantes en los combustibles habituales son el carbono, el hidrógeno y el azufre. En este capítulo tratamos con las reacciones de combustión expresadas por las ecuaciones químicas de la forma; Combustible + comburente > productos Considérese un ejemplo sencillo la combustión completa del hidrógeno con el oxígeno. CALOR 1 > CALOR 2 > CALOR 3 Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

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3.9.1 Combustible Es simplemente una sustancia susceptible a ser quemada. En este capítulo se hace énfasis en los hidrocarburos, que contienen carbono hidrógeno. Pueden contener también azufre y otros elementos químicos. Estos combustibles pueden existir en estado sólido, líquido y gaseoso. Combustión Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

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3.9.2 Aire de combustión El oxígeno es necesario en toda reacción de combustión. El oxígeno puro se utiliza solamente en aplicaciones especiales como el corte y la soldadura. En la mayoría de las aplicaciones de la combustión es el aire el que proporciona el oxígeno necesario. Se considera que el aire está compuesto de un 21 % de oxígeno y un 79 %de nitrógeno en base molar. Para los cálculos de combustión la masa molecular del aire se toma igual a 28,97 [kg aire/kmol aire]. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

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3.9.2 Aire de combustión Con esta idealización la relación molar entre nitrógeno y oxígeno es 0,79/0,21=3,76 Por tanto cuando el aire suministra el oxigeno en una reacción de combustión, cada mol de oxígeno va acompañado de 3.76 moles de nitrógeno. El aire considerado aquí no tiene vapor de agua. Cuando el aire presente en la combustión es húmedo, el vapor de agua presente hay que considerarlo al escribir la ecuación de combustión. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

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3.9.2 Aire de combustión El nitrógeno como uno de los productos de la reacción se encuentra a la misma temperatura que los otros productos. Si alcanza una temperatura suficientemente alta, el nitrógeno puede formar compuestos como el óxido nítrico y el dióxido de nitrógeno. Incluso simples trazas de óxidos de nitrógeno presentes en los gases emitidos por los motores de combustión interna, son una fuente de contaminación del aire. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

40 Motor de combustión interna
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3.9.2 Aire de combustión Dos parámetros frecuentemente utilizados para cuantificar las cantidades de combustible y de aire en un proceso particular de combustión son la relación de aire-combustible y su inversa la relación combustible-aire. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

42 Aplicación de la combustión
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43 3.9.3 Poder calorífico de los combustibles
El poder calorífico de un combustible es un número positivo igual a la magnitud de la entalpía de combustión, es decir, la cantidad de calor desarrollada en la combustión completa de 1 kg de combustible, se denomina también potencia calorífica. Las unidades empleadas son: cal/gr; Kcal/kg; kJ/kg Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

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Si un combustible no tiene hidrógeno tiene un solo valor de poder calorífico, pero si tiene hidrógeno tendrá un rango de valores. Poder calorífico inferior de un combustible Poder calorífico superior de un combustible El poder calorífico superior se puede obtener por la siguiente relación: Donde: QL= calor latente de vaporización QS = calor sensible X= título del vapor de agua Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

45 3.9.3 Poder calorífico de los combustibles
Hus (MJ/kg) Hui (MJ/kg)  (m3/kg) R a/c r Gasolina 47.5 44 710 15 0.71 Kerosene 46 42.5 748 15.5 0.748 Diesel 46.7 820 16 0.82 Fuel-Oil 45 41.7 814 0.814 Alcohol Etil. 28 25.32 794 9 0.794 Alcohol Metil 21.42 18.92 796 6.5 0.796 Para bar (1 Atm), 15.6 ºC Combustible gaseoso Hus (MJ/kg) Hui (MJ/kg)  (m3/kg) R a/c r Gas Natural 37-39 0.786 10.7 0.71 Otro Combustible Gas Licuado 49.5 45.9 15.5 Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

46 3.10 Eficiencia en la conversión de energía
Eficiencia indica que tan bien se realiza un proceso de conversión o transferencia de energía. Así mismo, este término resulta uno de los que en general son mal usados en termodinámica. El desempeño o eficiencia se expresa en términos de la salida deseada y la entrada requerida. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

47 Eficiencia de un motor eléctrico y de una bomba
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48 Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
La preocupación por el hombre y su destino siempre debe ser el interés primordial de todo esfuerzo técnico. Nunca olvides esto entre tus diagramas y ecuaciones. Albert Einstein GRACIAS Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

49 Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
REPASO 1. Los calentadores eléctricos portátiles se usan comunmente para calentar habitaciones pequeñas. Explique la transferencia de energía que tiene lugar durante este proceso. 2. ¿Cuál es la energía total? Identifica las diversas formas de energía que la constituyen. 3. ¿Qué es energía mecánica y cómo difiere de la energía térmica? Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

50 Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
REPASO 4. Escriba que es Potencia calorífica. 5.- ¿Por qué se considera la combustión de hidrocarburos un aporte al calentamiento global? Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

51 Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
RESPUESTA 1. Los calentadores eléctricos portátiles se usan comunmente para calentar habitaciones pequeñas. Explique la transformación de energía que tiene lugar durante este proceso. R.- La transferencia de calor se realiza mediante convección a través del aire del ambiente Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

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2. ¿Cuál es la energía total? Identifica las diversas formas de energía que la constituyen. R.- Energía total es: la suma de la energía macroscópica y la energía microscópica, expresada por la fórmula: 3. ¿Qué es energía mecánica y cómo difiere de la energía térmica? R.- El conjunto de energía cinética traslacional y la energía gravitacional se llama energía mecánica, y es diferente de la térmica porque es influencia directa de la temperatura. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani

53 4. Escriba que es Potencia calorífica.
R.- La potencia calirífica de un combustible es un número positivo igual a la magnitud de la entalpía de combustión, es decir, la cantidad de calor desarrollada en la combustión completa de 1 kg de combustible, 5.- ¿Por qué se considera la combustión de hidrocarburos un aporte al calentamiento global? R.- Los productos de la combustión salen en dióxido de carbono principalmente. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani