Cap 1 ENERGIA Termodinámica General 2005 – 2 Ing. Miguel Hadzich

INGENIERÍA = INGENIO = CURIOSIDAD = SABIDURÍA = MAGIA INTRODUCCIÓN El Sol es nuestra fuente inagotable de vida, es decir de Energía. ENERGÍA= CAPACIDAD DE REALIZAR TRABAJO Primera Ley: “La Energía no se crea ni se destruye,solo se transforma” Es decir, nunca podemos ganar a la naturaleza Segunda Ley: “La Entropía siempre aumenta” Es decir, no podemos ni empatar a la naturaleza TERMÓGENES Y ENTRÓPIDES INGENIERÍA = INGENIO = CURIOSIDAD = SABIDURÍA = MAGIA

INDICE Introducción La Energía en el tiempo 1.1 Energía 1.2 Principios de conservación de Energía 1.3 Formas de Energía 1.4 Transformación de Energía 1.5 Unidades de Energía: S.I y Factores de conversión 1.6 Trabajo 1.7 Potencia 1.8 Energía en nuestra casa: Consumo de alimentos y de electricidad Curiosidades Energéticas

BIBLIOGRAFÍA Cuando encuentres esta figurita al costado de cualquier información, tienes que fijarte en el numero que aparece al costado y corresponderá a los documentos de esta bibliografía Cuando encuentres esta figurita (robo de información) al costado de cualquier información, te daré la dirección de internet de las fuentes citadas

La Energía en el Tiempo

ENERGÍA Magnitud física asociada con la capacidad de generar trabajo mecánico, generar calor, emitir luz,sonido, etc. Cuando se aplica una fuerza y se genera movimiento se produce trabajo. Al manejar bicicleta, transformamos la energía química en cinética, por ejemplo.

1.2 Principio de conservación de energía (Ek, Ep, U, Q, W) “La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma” E P = 6000 J E C = 0 J Siempre Ek + Ep = 6000 J E P = 3000 J E C = 3000 J E P = 0 J E C = 6000 J Si en plena caída el gordito tiene una energía potencial de 4500 J, entonces, ¡Cuál será su energía cinética ?

Toda forma energía ha sido obtenida de otra ya existente. Al encender una foco, estamos transformando energía eléctrica en energía radiante y esta energía eléctrica a su vez fue obtenida de la energía cinética de una turbina, la cual provino de la energía potencial del agua (planta hidroeléctrica) o de la energía liberada por la combustión de un combustible (planta térmica). Este es un claro ejemplo de transformación de energía

Los ingenieros hemos construido miles de máquinas que siguen transformando la energía en otras formas de energía ...si, pero nunca podrán sacar mas energía que la original... y siempre perderán alguito….

Primera reflexión: “Todo proceso de transformación de energía involucra pérdidas” Por ejemplo,en un foco: Energía Eléctrica = Energía Luminosa (necesidad) + Energía Calorífica (innecesaria, pérdida)

1.3 Formas de Energía Energía Cinética (Ek) Energía Potencial (Ep) La energía es única, pero puede manifestarse como: Energía Cinética (Ek) Energía Potencial (Ep) Electromagnética o Eléctrica Energía Térmica Energía Química Energía Metabólica Energía Nuclear Energía Mecánica Energía Interna

La energía es transmitida en el choque Energía Cinética (Ek).- Es la energía asociada al movimiento del sistema, Es una propiedad. La energía es transmitida en el choque 2 E = m c ----

Energía Potencial (Ep) Energía Potencial (Ep).- Es la energía asociada a la posición del sistema, Es una propiedad. E = m.g.h

Energía Electromagnética o eléctrica Energía Electromagnética o eléctrica.- Energía del campo electrostático, campo magnético y corriente eléctrica..

Energía Térmica.- El calor El calor se presenta solo si existen dos temperaturas diferentes.

Energía Química.- La energía de las reacciones Químicas

Energía Metabólica.- La energía generada en los organismos vivientes durante las reacciones bioquímicas

Nuclear.- La energía proveniente de las reacciones de fisión y fusión nuclear.

Energía Mecánica. - Es una propiedad extensiva Energía Mecánica.- Es una propiedad extensiva. Es decir, dependen de la masa.

Energía Interna.-Es la energía que posee una sustancia como consecuencia del movimiento de sus moléculas

E N R G Í A kJ

Un fósforo = 1BTU Tomamos la unidad como si fuera un fósforo 1 BTU = 1 kJ Un fósforo = 1BTU

1.4 Transformación de la Energía La energía Química de la pólvora se convierte en energía Cinética, Luminosa y Térmica ?. Qué energía faltaría?

La Energía Química del Ricocan se convierte en energía

La energía Química en las pilas se convierte en energía

La energía Química del combustible se convierte en energía Cinética, Potencial, Térmica y Sonora.

Relacionando Energía y Termodinámica Primera Ley: “CANTIDAD”

Cuál será el rendimiento?

1.5 Unidades de Energía En el sistema internacional de unidades la unidad de energía es “Joule” Existen otras unidades: 1 kcal = 4.18 kJ 1 kWh = 36 x 105 Joule 1 BTU = 0,252 kcal

Energía calorífica de algunos productos:

Combustibles:

Sistema Internacional de Unidades SI Todas las fórmulas funcionan solo con grados KELVIN !!!!...(o sea temperatura absoluta) y también con PRESIONES ABSOLUTAS !!! 1 bar = 105 Pa = 100 kPa = 0,1 MPa

El galón imperial fue la medida de la bacinica del rey Jorge III de Inglaterra y las bacinicas de su mujer fueron distribuidas en las colonias como medida oficial!!!

Software para estudiar las escalas del universo http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/scienceopticsu/powersof10/index.html

Factores de c onversión

Diapositiva 32 http://freecal.net/calculate.asp?user=5866 Software Convertidor de Unidades http://freecal.net/calculate.asp?user=5866

Software para Factores de Conversión de Unidades http://freecalc.net/calculate.asp?user=5866

Trabajo = Fuerza x distancia Ejemplo: Cuánto de trabajo tengo que hacer para subir un ladrillo de 2kg de masa hasta una altura de 1.5m? Peso = 2kg = 20 N W = 20 x 1.5 (N) (m) W = 30 J W = 30 J

La cantidad de energía almacenada de una persona de 70 kg es alrededor de 300 MJ. Cuánto de Energía tienes Tú almacenada ? Peso = Energía =

Potencia = Trabajo/ tiempo Rapidez de transformación de energía, su unidad es el Watt Ej: Si levantas el ladrillo en 5 segundos, qué potencia hubieras utilizado? Pot = 30 (J) = 6 W 5 (s)

Si 2 carros de igual peso hacen el mismo recorrido estos hacen la misma cantidad de trabajo, no importando la velocidad. Pero si uno llega más rápido que el otro, entonces es más potente!

El campeón mundial de salto con garrocha, llegó a tener potencia mayor que 1 kW en una fracción de segundo.

kW Potencia

1.9 Energía en nuestra casa 10 MJ por día = 2,392 kCal/día

Pequeño software para calcular las calorías de los alimentos http://www.esmas.com/flat/calculadoras/swf/calculador_calorias.swf

Existe un Software para calcular cuántas calorías quemas según la actividad que haces.... http://www.univision.com/content/content.jhtml?cid=73161

4 MJ por día = 956 kcal/día…. lo mínimo para sobrevivir ?

20 MJ por día

8 MJ por día

Hacer dieta? Sólo tienen que comer menos!!!

1 10 100

Es recomendable ser vegetariano y comer hierba (no fumarla)...

-Para vivir es necesario 4 MJ por día Algunos datos: -Para vivir es necesario 4 MJ por día -Se puede sobrevivir 62 días sin comer, solo con agua -Sin tomar agua no podemos vivir más de tres días seguidos

-Comiendo 850 kcal por día, en 10 días bajarías 1 kilo y medio. -Lo ideal es comer 1000 kcal, y siempre hacer ejercicios -¡ 27 gramos de chocolate equivale a 1 kilogramo de tomate !

-El 2060 seremos 8,000,000,000 de seres humanos sobre la Tierra y tendremos que volvernos vegetarianos porque no habrá comida suficiente!!

...con cuántas botellas de cerveza al día viviría Ud. feliz toda su vida ?...

ALIMENTOS 1000 kcal = 4.18 MJ

Cuántos panes francés debes de comer cada día para poder sobrevivir ? Has tu propia dieta : Cuántas kcal tendría que sumar?

El Básico en la universidad, para cuanto tiempo te alcanza ?

Software muy interesante y completo para los que quieren más detalles sobre el tema de energía en personas http://galeon.com/medicinadeportiva1/01nutri04.htm

Consumo de Eléctr ico

Consumo de Energía Eléctrica

Potencia promedio de equipos eléctricos Los equipos de corriente continua CC se pueden usar directamente con baterías o pilas, mientras los equipos de corriente alterna AC tienen que utilizar la red eléctrica (110 V ó 220 V)...o usar un inversor de CC a AC.

Software para el Cálculo de Energía en las casas http://www.vidasostenible.com/paginas/Canales/Energia/VisitaGuiada/Encuesta.asp

Diagrama SANKEY ó Balance de Energía

Cuál será el rendimiento de este auto ?

Análisis Sankey de una alumna en la PUCP

Termodinámica Profesor: Miguel Hadzich 1 Termodinámica Profesor: Miguel Hadzich Alumna: Vanessa Pinedo Norabuena Código: 20030515 Hacer click para continuar

Consumo Energético (Entrada) 2 Hacer click en cada “Acción” (Desayuno, almuerzo, etc)para poder obtener información más detallada. Consumo Energético (Entrada) Desgaste de Energía (Salida) Acción Kilocalorías KiloJoules Desayuno 422.00 1766.49 Actividad Física 296.88 1242.74 Almuerzo 730.00 3055.78 Otros 253.33 1060.45 Merienda 320.00 1339.52 Estudio 548.83 2297.42 Lonche 432.00 1808.35 Ocio 705.00 2951.13 Entrada 1904.00 Kcal 7970.14 KJ Salida 1804.05 7551.74 KJ Anterior Siguiente

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3 Sabemos que el mantener, perder o ganar peso depende de la cantidad de calorías consumidas y del empleo de estás durante un día (Balance Enérgetico) Observamos que las calorías que ingerí (energía de entrada,1904.00 Kcal) son mayores que las gastadas (energía de salida, 1804.05 Kcal) (balance energético positivo), pero la diferencia no es tan grande, por lo que mi peso corporal se mantendría, si suponemos que realizó mayor ejercicio durante los otros días de la semana, con lo que se conseguiría el equilibrio. Si queremos identificar las causas de mi desbalance energético, se debería a que yo no realicé actividades físicas como correr, andar en bicicleta, trotar, patinar, etc. Sin embargo debo agregar que en el desgaste de energía también se debe considerar cuando ésta se libera en forma de calor o cuando se usa en las funciones vitales que realiza nuestro organismo. Se puede concluir que si una persona desea perder peso , debería incrementar sus actividades físicas para poder quemar más calorías, o reducir su consumo de calorías ya que de lo contrario el cuerpo utilizaría la energía sobrante liberada por los alimentos en forma de reserva. En el caso opuesto para ganar peso se debe aumentar la ingesta de calorías o realizar menos actividad física, y para mantener el cuerpo a un peso constante se debe gastar y quemar la misma cantidad de calorías, ya que en este caso la La ingesta calórica (la energía química potencial de los alimentos ingeridos diariamente) sería igual al Gasto Calórico (energía gastada durante el transcurso del dia). Siguiente Anterior

4 3055.78 KJ Click para más Información % considerado a partir de las 1904.00 Kcal consumidas 3055.78 KJ Click para más Información Anterior Siguiente

Cómo se puede observar, la mayor cantidad de energía que entra a mi organismo provienen de las calorías ingeridas en el almuerzo (38%), luego le siguen las del desayuno y del lonche, con cantidades muy similares, las cuales son 22% y 23% respectivamente, mientras que se aprecia que en la merienda mi consumo de energía es menor (17%), De las 1904.00 kilocalorías consumidas (7970.14 KJ) en un día, la mayor cantidad de ellas se gastan en “el ocio” 37% en dormir, salir con amigos, etc) y en las horas de estudio (29%), y con un menor porcentaje en actividades físicas (16%) y transporte(13%) Se ha señalado en el diagrama de sankey una parte de color claro , lo cual representa el 5% de la energía no empleada, como se indicó anteriormente este porcentaje se puede considerar como energía que mi cuerpo usó para poder desarrollar actividades vitales. Regresar

5 Costos Totales, no incluyen Igv ni otros (conexiones, mantenimiento ,etc.) Anterior Siguiente

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6b Estos cálculos fueron realizados sin ayuda de un software, se halló a partir de la realización de un pequeño estudio siendo estos los resultados obtenidos: Consumo de Agua… Uso x Día (Litros) Uso x Mes (m3) Costo (Soles) Limpieza de la Casa 60 1800 1.8 2.26 Cocina 25 750 0.75 0.94 Aseo de Manos y Cara 100 3000 3 3.76 Uso del Inodoro 220 6600 6.6 8.28 Lavandería 270 8100 8.1 10.16 Lavado de los platos Uso de la Ducha 200 6000 6 7.53 Fugas 465 13950 13.95 17.50 Totales 1315 Litros/Día 42000 Litros/Mes 42 M2/Mes 52.70 Soles Consumo de Gas Uso x Día (minutos) (Horas) Uso x Galón 22 días (H) Costo x Día S/ Desayuno   (22ías) Hervir el Agua 15 0.25 5.50 0.13 Frituras 10 0.17 3.67 0.09 Almuerzo Plato principal 60 1.00 22.00 0.53 Verduras 25 0.42 9.17 0.22 Merienda-Lonche Pop corn Calentar la comida Otros 30 0.50 11.00 0.27 Totales . 180 Minutos al Día 3.00 Horas Al Dia 60.00 x Galón 1.59 Soles X Dia Anterior Siguiente

7a En el caso de la energía eléctrica, se pudo apreciar que mi consumo fue de 248.27 Kwh y en mi recibo de luz se indica 310 kwh en ambos casos sin considerar IGV y otros (alumbrado público, cargo fijo,etc), aproximadamente unos 60 kwh (esta cantidad fue calculada años atrás y lo tenemos como dato) es utilizada por mis vecinos, ya que nosotros le proporcionamos energía eléctrica a su pequeña vivienda que por sus condiciones no consume tanta energía, En el recibo se señala la suma a pagar de S/.139.00 esto se debe al costo total de la energía consumida se debe aplicar el impuesto general a las ventas que actualmente es del 19%, además de otros importes considerados por luz del sur, señalados en el cuadro anterior como cargo fijo, reparación por mantenimiento, etc, Por otra parte nos damos cuenta que los aparatos como la plancha, la secadora, el horno microondas, la aspiradora, la refrigeradora son las fuentes energéticas que pueden generan mayor gasto si es que se utilizan por bastante tiempo pues la cantidad de energía consumida está directamente relacionada con la cantidad de tiempo que esté encendido el artefacto así como también nos debemos fijar en los Watts que es la medida de la cantidad de energía por segundo que en este caso los artefactos eléctricos necesitan para funcionar , es decir cuánto más watts necesita un artefacto y más tiempo lo empleemos nuestro consumo de energía será mucho mayor. Lo que se paga no es lo que se consume realmente puesto que sabemos que con los artefactos se puede gastar otro tipo de energía que no empleamos, Por ejemplo en el caso de los focos incandescentes, gastan más energía porque a la vez producen energía calorífica, por lo que debemos usar focos ahorradores (cuestan algo más, pero se consume menos energía y duran más) otros artefactos como la plancha, olla eléctrica también producen calor por lo que apagarlo antes de terminar de usarlos sería un ahorro, en el caso de los equipos de sonido, computadoras si hay una pérdida de energía en forma de calor que no podemos evitar. Anterior Siguiente

7b A continuación analizaremos el aspecto del agua y el gas. En el caso del agua se ha tratado de justificar los 42 m3 que se señalan en mi recibo, el importe por este consumo es de S/.52.70 pero al igual que la electricidad, las empresas además de ello cobran la pensión básica (S/. 4.22); el I.G.V (respecto al consumo y la pensión, S/.10.81) y también efectúa “redondeos” tanto del mes actual como del anterior. Para poder conocer cuánto es el consumo en un hogar la compañía lo hace a través de la información brindada por los medidores en mi caso la lectura anterior fue de 629 m3 y la correspondiente a la última medición es de 671 m3 y la diferencia de éstas resulta el consumo del mes. Cómo se puede observar en el cuadro del consumo de agua hay una mayor utilización del agua en el uso del inodoro, cuando se toma una ducha, etc. ello se debe a que estas actividades requieren mayor volumen de agua, es decir aquí no se toma en cuenta la duración del uso del agua, sino la cantidad que se empleó (en el caso del consumo de la energía eléctrica la duración de los artefactos por ejemplo si era relevante) Y en el caso del gas notamos que en el almuerzo es donde existe mayor utilización del gas, en este caso hemos hecho una aproximación puesto que se ha calculado cuánto se gasta monetariamente en realizar cada actividad señalada, aquí cómo en el caso del agua importa la cantidad de gas que se emplée y no necesariamente la duración, es decir una hornilla puede estar prendida 10 minutos y otra que estuvo encendida 8 minutos puede gasta menos, másr o igual cantidad de gas todo depende de la “llama” de cuánto se utilizó, sin embargo para nuestro análisis hemos supuesto que en mi hogar se usa una “llama promedio” , luego de ello hemos considerado el tiempo que se emplea y así se obtuvo aproximadamente qué porcentaje de los S/.1.59 correspondiente a un día se gasta en cada actividad. Anterior Siguiente

8a Click para más Información Anterior Siguiente

Según el cuadro anterior, se puede saber que en mi hogar el mayor consumo de energía eléctrica se da en el uso de las computadoras que bordea el 25% de la energía total utilizada, luego se encuentra el refrigerador el cual por estar prendido las 24 horas consume una gran cantidad de energía (16.67%) y por último los 22 focos con un total de 13%, los cuales al no ser incandescentes sino ahorradores consumen de todas maneras menor cantidad de ésta y asumimos que mi vecino emplea alrededor del 19% de la energía total. En el consumo intermedio de energía se encuentran los televisores con un 9.5% y la plancha con un 5.38% , Luego tenemos la lavadora (3.17%) el horno microondas (2.34%) y la waflera (2.10%) en el caso de estos dos últimos y la plancha cabe mencionar que su utilización a la semana no es muy alta ya que de lo contrario si habría mayor horas a la semana de utilización al ser elevada la potencia que requieren, se elevaría los costos. Por último la licuadora, aspiradora, radio, secadora se utilizan minimamente por lo que el porcentaje de energía que utilizan es muy bajo La parte de color claro, señalada en el diagrama nos representa la energía que podríamos considerar como pérdida, por alguna mala conexión, o en forma de calor, etc. Regresar

8b Click para más Información Anterior Siguiente

Al evaluar mi consumo de agua se ha tenido en cuenta el hecho de que somos 6 personas que viven en mi hogar. En el diagrama visto se puede distinguir que se da una mayor utilización del agua cuando se lava la ropa (8.1 m3/mes), en la cantidad de agua que se emplea para los inodoros (6.6 m3/mes), así como también cuando se toma una ducha (6 m3/mes) Por otro lado actividades que demandan menor consumo de agua es el Aseo de las manos y la Cara (3 m3/mes): la limpieza de la casa (incluye el jardín) y el lavado de platos con 1.8 m3 c/u ; luego en la cocina (para hervir el agua y en la preparación de algunos platos) con un 0.75 m3. Se ha señalado en el diagrama de Sankey una parte de color claro , lo cual representa el porcentaje (30% aproximadamente) no señalado del consumo de agua, esto se debe a que existen fugas en mi hogar y se ha determinado que se deben a los chorros de agua y algunos problemas en la conexión, al comparar con recibos anteriores noté que esta situación se da hace casi 1 año (ya que antes el consumo del agua bordeaba unos 30 m3 y no 40 m3) por lo que se empezará a tomar las medidas respectivas, para solucionar el problema. Regresar

8c Click para más Información Anterior Siguiente

Lo que se ha realizado en el caso del consumo del gas, es determinar cuánto días dura el balón de gas, en el caso de mi hogar es de 22 días, el costo del balón es de S/.35 por lo que se ha asumido que cada día se consume S/.1.59, luego se ha estudiado en que actividades se emplea el gas, y luego se ha hallado los porcentajes. La mayor utilización del gas se da cuando se prepara en el almuerzo, ya que aquí están prendidas dos o tres hornillas (33.33%), alrededor de un 14% se utiliza para sancochar verduras tales como zanahoria, papa, betarraga, choclo, etc. El porcentaje de otros es de 17% aquí se puede incluir cuando se utiliza el horno que en realidad son dos a tres horas cada semana lo que equivale entre 18 a 25 minutos por día y también cuando hay visitas o reuniones que requieren de mayor utilización del gas para la preparación de alimentos, etc. Luego de ello cuando se hierve el agua tanto en la mañana como en la tarde y en la preparación del Pop Corn (se realiza diariamente) se gasta el 8.33% de los S/.1.59 en cada etapa. Por lo último el menor porcentaje es para calentar comida puesto que ello requiere unos cuántos minutos (5.56%) De todo lo mencionado, Observamos que si se quisiera prolongar la duración de días del balón de gas una buena alternativa bajar la utilización del horno. Regresar

Sitios Web adicionales utilizados para la realización del trabajo Sitios Web adicionales utilizados para la realización del trabajo. (Hacer click en el enlace para entrar a la pagina web) http://www.mifarmacia.es/producto.asp?Producto=../contenido/herramientas/herramienta_calculadoradecalorias http://thr.hip.hispanicare.com/content/wellnesstools/es/cal_burn.aspx Referencia para gasto de Energía Referencia para gasto de Energía http://energyaudit-scg.sempra.com/spanish/appcalc/pg1.asp?ID=0 http://sano.fhurtado.com/calculador.html Inicio Referencia: Gasto de Energía en la Casa Referencia para consumo de Energía