*ALUMNOS: *INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TACÁMBARO. INGENIERÍA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS. “PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA” PROFESOR: URIEL OLIVARES MOLINA. *ALUMNOS: MEJÍA SAUCEDO GABRIELA. OROZCO VICTORIA CLAUDIA LETICIA. *TORRES ÁVILA RICARDO. *GUTIÉRREZ RAMOS SALVADOR.

James Prescott Joule. (1818 - 1889).  (1818 - 1889). Físico británico. Uno de los más notables físicos de su época, es conocido sobre todo por su investigación en electricidad y termodinámica.

En el transcurso de sus investigaciones sobre el calor desprendido en un circuito eléctrico, formuló la ley actualmente conocida como ley de Joule.

La cual establece que la cantidad de calor producida en un conductor por el paso de una corriente eléctrica cada segundo, es proporcional a la resistencia del conductor y al cuadrado de la intensidad de corriente.

*Joule verificó experimentalmente la ley de la conservación de energía en su estudio de la conversión de energía mecánica en energía térmica.

La unidad de energía denominada julio se llama así en su honor; equivale a 1 vatio - segundo. Junto con el físico William Thomson (posteriormente lord Kelvin), Joule descubrió que la temperatura de un gas desciende cuando se expande sin realizar ningún trabajo. Este fenómeno, se conoce como efecto Joule.

primera ley de la termodinámica

También, conocida como el principio de conservación de la energía, afirma que la energía no puede crearse ni destruirse; solo puede cambiar de forma.

El principio de conservación de la energía para cualquier sistema que pasa por cualquier proceso se puede expresar de la siguiente manera:

El cambio neto en la energía total del sistema durante un proceso es igual a la diferencia entre la energía total que entra y la energía total que sale del sistema durante dicho proceso.

energía total del sistema. Que sale del Sistema. Energía total que entra en el sistema. Cambio en la energía total del sistema.

La energía total de un sistema tiene 3 componentes: Formas de energía: La energía total de un sistema tiene 3 componentes: Energía cinética. Energía potencial. Energía interna.

Energía Cinética. Es aquella debida al movimiento traslacional del sistema como un todo en relación con determinado marco de referencia (por lo general la superficie terrestre) o a la rotación del sistema en torno a un eje.

La energía cinética, Eκ(J) de un objeto de masa m(kg) que se mueve con velocidad u(m/s) en relación con la superficie de la tierra es: Ek = 1 2 mu²

Si un fluido entra a un sistema con una velocidad de flujo másico m(kg/s) a velocidad uniforme u(m/s), se tiene que: Ek = 1 2 mu² Ek(J/s) se puede considerar como la velocidad a la cual el fluido transporta la energía cinética al sistema.

*Energía Potencial. Se debe a la posición del sistema en un campo de potencia (gravitacional o electromagnético).

La energía potencial gravitacional de un objeto de masa m es: Ep = mgz

Donde: g es la aceleración de la gravedad y z es la altura del objeto por arriba de un plano de referencia, en el cual Ep se define de manera arbitraria como cero.

Si el fluido entra a un sistema con velocidad de flujo másico m y elevación z en relación con el plano de referencia de energía potencial, entonces: Ep = mgz

Ep(J/s) puede considerarse, en consecuencia, como la velocidad a la cual el fluido transporta a la energía gravitacional hacia el sistema.

Por lo general nos interesa el cambio de energía potencial cuando un cuerpo o fluido se desplaza de una elevación a otra. [Ep2 - Ep1 = mg(z2 - z1)].

*Energía Interna. Es la que posee un sistema además de sus energías cinética y potencial, por ejemplo: la debida al movimiento de las moléculas en relación al centro de masa del sistema, al movimiento rotacional y vibracional y a las interacciones electromagnéticas de las moléculas.

Así mismo al movimiento e interacciones de los constituyentes atómicos y subatómicos de estas ultimas. Supongamos que un sistema de proceso es cerrado, es decir, no hay transferencia de masa a través de sus fronteras mientras el proceso se realiza.

La energía puede transmitirse entre un sistema de este tipo y sus alrededores de dos maneras:

*En forma de calor o energía: Que fluye como resultado de la diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores. La dirección del flujo siempre es de la temperatura mas alta a la mas baja. El calor se define como positivo cuando se transfiere de los alrededores al sistema.

*Como trabajo o energía: Que fluye en respuesta a cualquier fuerza impulsora que no sea una diferencia de temperatura, como una fuerza, una torque (momento de torsión) o un voltaje.

Por ejemplo, si un gas se expande dentro de un cilindro y mueve un pistón contra una fuerza restrictiva, el gas realiza trabajo sobre el pistón (se transfiere energía en forma de trabajo del gas a sus alrededores, los cuales incluyen el pistón).

Los términos “trabajo” y “calor” se refieren solo a la energía que se transfiere: se puede hablar del calor o del trabajo que se añade o desprende del sistema. La energía, al igual que el trabajo, tiene unidades de fuerza multiplicada por la distancia: por ejemplo, Joules (N.m), ergs (dina.cm) y ft.lbf.

También es común usar unidades de energía definidas en términos de la cantidad de calor que debe transferirse a una masa especifica de agua para aumentar su temperatura en un intervalo especifico a presión constante de un atm.

Tabla de las unidades mas comunes.

Matemáticamente la primera ley de la termodinámica se expresa:

Q = calor que entra o sale del sistema medido en calorías o joules. ΔU = Q ± W Donde: ΔU = variación de la energía interna del sistema expresada en calorías (cal) o Joules (J). Q = calor que entra o sale del sistema medido en calorías o joules.

W = trabajo efectuado por el sistema o trabajo realizado sobre éste expresado en calorías o Joules.

El valor de Q es positivo cuando entra calor al sistema y negativo si sale de él. El valor de W es positivo si el sistema realiza trabajo y negativo si se efectúa trabajo de los alrededores sobre el sistema.

Balance de energía para sistemas cerrados Se dice que un sistema es abierto o cerrado dependiendo de que la masa cruce o no las fronteras del sistema durante el tiempo cubierto por el balance de energía. Por definición, un sistema de proceso por lotes es cerrado, y los sistema semicontinuos o continuos son abiertos.

*Balance de energía para sistemas cerrados. (masa fija)

Es posible escribir el balance de energía integral para un sistema cerrado entre los instantes dados, como la energía no puede crearse ni destruirse, los términos de generación y consumo del balance general se cancelan lo cual dejan: Acumulación = entrada – salida El termino de acumulación es igual a el valor final de la cantidad balanceada (en este caso la energía del sistema), menos el valor inicial de esta cantidad.

Por lo tanto la ecuación puede escribirse: acumulación = entrada – salida Energía final del sistema Energía inicial del sistema Energía transferida al sistema (entrada – salida) En donde: Energía inicial del sistema = Ui + Eki + Epi Energía final del sistema = Uf + Ekf + Epf Energía transferida = Q - W

En consecuencia la ecuación queda:

Un sistema cerrado consta de una masa fija. Este es en especial el caso para los sistemas estacionarios, ya que no comprenden cambios en la velocidad o elevación durante el proceso.

En ese caso, la relación del balance de energía se reduce a sistema cerrado estacionario: Eent - E sal = ΔU = mCvΔT (J) ΔT = (T2 - T1)

En donde: ΔT = cambio de temperatura Cv = calor especifico. m = masa. T1 = temperatura inicial. T2 = temperatura final.

Sistema cerrado estacionario sin trabajo. Cuando el sistema solo comprende transferencia de calor y ninguna interacción de trabajo, la relación de balance de energía se reduce todavía mas. Sistema cerrado estacionario sin trabajo. Q = mCvΔT (J) ΔT = (T1 – T2)

Donde Q es la cantidad neta de la transferencia de calor que entra o sale del sistema. La anterior es la forma de la relación del balance de energía que se usara con mas frecuencia al tratar una masa fija.

Primera ley de la termodinámica para sistemas abiertos Por definición, hay masa que atraviesa las fronteras de un sistema de proceso abierto a medida que este ocurre. Para introducir masa al sistema es necesario realizar trabajo sobre el mismo y cuando emerge masa del sistema se lleva a cavo trabajo en los alrededores.

Trabajo de flujo y de flecha. La velocidad neta de trabajo realizado por un sistema abierto sobre sus alrededores se expresa como: Donde: Ws = trabajo de flecha o velocidad de trabajo realizado por el fluido del proceso sobre alguna parte móvil dentro del sistema (p.ej. El rotor de una bomba).

Wn = trabajo de flujo o velocidad de trabajo realizado por el fluido en salida del sistema, menos la velocidad de trabajo realizado sobre el fluido en la entrada del sistema. Para derivar la expresión Wn consideraremos, de inicio, un sistema de entrada y una salida.

El fluido a P entrada (N/ 𝑚 2 ) entra a una tubería a velocidad de flujo volumétrico V entrada ( 𝑚 3 /s) y sale a presión P salida (N/ 𝑚 2 ) y con una velocidad de flujo volumétrico V salida ( 𝑚 3 /s)

El fluido que entra al sistema experimenta el trabajo realizado sobre el por el fluido que se encuentra justo detrás, a razón de: W entrada (N*m/s) = P entrada (N/ 𝑚 2 ) V entrada ( 𝑚 3 /s). Mientras que el fluido que sale del sistema lleva a cavo un trabajo sobre los alrededores a razón de: W salida = P salida – V salida La velocidad neta sobre la cual el sistema realiza el trabajo en la entrada y en la salida es: Wn = P salida V salida – P entrada V entrada Si varias corrientes de entrada y salida llegan y se van del sistema, los productos PV para cada corriente deben sumarse para determinar Wn.

Una propiedad que se presenta en la ecuación de balance de energía para sistemas abiertos es la entalpia especifica, que se define como: Donde P es la presión total U y V son la energía interna y el volumen especifico.

La función de la entalpia es importante en los análisis de sistemas abiertos, sin embargo también se puede demostrar que si un sistema serrado se expande (o contrae) en contra de una presión externa constante, ΔEk y ΔEp son insignificantes, y el único trabajo realizado por o sobre el sistema es de expansión y, entonces la ecuación de balance de energía se reduce a: ΔH = Q

El balance de energía para un sistema abierto en estado estacionario. La primera ley de la termodinámica para un sistema abierto en estado estacionario tiene la forma de: ENTRADA = SALIDA En este caso la entrada significa la velocidad total de transporte de energía cinética, potencial e interna por todas las corrientes de entrada al proceso, mas la velocidad de transferencia de energía en la entrada en forma de calor, y la salida es la velocidad total de transporte de energía por las corrientes de salida, mas la velocidad de transferencia de energía hacia afuera en forma de trabajo.

En términos de estas cantidades, la ecuación se transforma en: La ecuación indica que la velocidad neta a la cual se transfiere energía al sistema como calor y/o trabajo de flecha (Q – Ws), es igual a las diferencias entre las velocidades a las cuales la cantidad de (ΔH + ΔEk + Δep) Se transporta hacia afuera o hacia adentro del sistema.

*Balance de energía para sistemas de flujo estacionario.

El termino estacionario significa ningún cambio con el tiempo en una ubicación especifica. Lo opuesto a estacionario es no estacionario o transitorio.

Asimismo, el termino uniforme implica ningún cambio con la posición en toda una superficie o región en un tiempo especifico.

El contenido total de energía de un volumen de control durante un proceso de flujo estacionario permanece constante (Evc = constante). Es decir, el cambio en la energía total del volumen de control durante un proceso de este tipo es cero. (ΔEvc = 0).

Por lo tanto, la cantidad de energía que entra en un volumen de control en todas las formas (calor, trabajo y transferencia de masa) para un proceso de flujo estacionario debe ser igual a la cantidad de energía que sale de el.

El volumen de un fluido que fluye por un tubo o ducto por unidad de tiempo se llama gasto volumétrico V y se expresa como: V = °VAc = 𝒎 𝝆 ( m 3 /s)

Note que el gasto de masa de un fluido por un tubo o ducto permanece constante durante el flujo estacionario. sin embargo, este no es el caso para el gasto volumétrico, a menos que la densidad del flujo permanezca constante.

Cuando los cambios en las energías cinética y potencial son despreciables, que es el caso mas común, y no se tiene interacción de trabajo , el balance de energía para tal sistema de flujo estacionario se reduce a:

Q = mΔh = mCpΔT Volumen de centro 𝑚 𝑇1 𝑚 𝑇2 Etransferencia = mCp( T2 – T1) (kJ/s) Volumen de centro

En don de Q, es la velocidad de la transferencia neta de calor hacia adentro o hacia afuera del volumen de control. La anterior es la forma de relación de balance de energía que se usara con la mayor frecuencia para sistemas de flujo estacionario.

*Balance superficial de energía.

Una superficie no contiene volumen ni masa y, por lo tanto, tampoco energía. Por lo mismo, una superficie se puede concebir como un sistema ficticio cuyo contenido de energía permanece constante durante un proceso (precisamente como un sistema de estado estacionario o de flujo estacionario).

Entonces el balance de energía para una superficie se puede expresar como:

Balance superficial de energía: Eent = E sal Esta condición es valida tanto para condiciones estacionarias como transitorias.

El balance superficial de energía no comprende generación de calor puesto que una superficie no tiene volumen. Radiación Q3 Q2 convección Superficie de control PARED El balance de energía para la superficie exterior, por ejemplo, se puede expresar como: Q1 = Q2 + Q3 conducción Q1

Donde Q1 es la conducción de la pared hasta la superficie, Q2 es la convección de la superficie hacia el aire del exterior y Q3 es la radiación neta de la superficie hacia los alrededores.

*Fuentes consultadas. Termodinámica. Cuarta edición. Yunus A. Cengel. Michael A. Boles. Pág. 164-168. Transferencia de calor Yunus A. Cengel Segunda edición Pág.11-17. www.fisicanet.com.or/biografias/cientificos/j/Joule. php.

hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hb asees/ke.html   http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/inteng.html   http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/pegrav.html