PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

3. TEMA III. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

3.1. Trabajo de sistema cerrado, sin fricción y presión uniforme
3.2. Trabajo de sistema abierto operando en estado estable, con una entrada y una salida de flujo y sin fricción
3.3. Trabajo en un proceso cíclico
3.4. Calor y proceso adiabático
3.5. Sistema con transferencia de calor
3.6. Primera ley de la termodinámica en
3.6.1. Forma general
3.6.2. Sistema cerrado
3.7. Naturaleza de la energía almacenada
3.8. Aplicar la primera ley de la termodinámica en diferentes sistemas cerrados, con o sin fricción
3.9. Primera ley de la termodinámica en diferentes sistemas abiertos operando en estado estable, con o sin fricción
3.10. Máquina térmica y por eficiencia
3.11. Refrigerador y por coeficiente de funcionamiento
3.12. Bomba de calor
3.13. Coeficiente de funcionamiento para una máquina
3.14. Transferencia de energía por calor, trabajo y masa.
3.15. Transferencia de calor.
3.16. Transferencia de energía por trabajo.
3.17. Formas mecánicas de trabajo.
3.18. Principio de conservación de la masa.
3.19. Trabajo de flujo y la energía de un fluido en movimiento.
3.20. La primera ley de la termodinámica.
3.21. Balance de energía.
3.22. Cambio de energía de un sistema.
3.23. Balance de energía para sistemas cerrados.
3.24. Balance de energía para sistemas de flujo estable.
3.25. Balance de energía para procesos de flujo no estable.

3.1 Trabajo de sistema cerrado, sin fricción y presión uniforme

El sistema cerrado intercambia energía (calor y trabajo), pero es independiente de su entorno (la masa permanece constante).

Aplicación de las leyes de la termodinámica en sistemas cerrados

• Según la primera ley de la termodinámica, el cambio de energía interna en estos sistemas es igual a la suma del trabajo y el calor agregados.
• Según la segunda ley de la termodinámica, la entropía en un sistema cerrado aumenta con la absorción de calor y el trabajo.

El trabajo es la cantidad de energía transferida de un sistema a otro cuando es desplazada por una fuerza. Especificamos la ecuación de trabajo general para un sistema termodinámico particular, a saber, un gas confinado dentro de un recipiente por un pistón y capaz de moverse sin fricción.

Bajo la influencia de la presión (p) ejercida por el gas, el pistón experimenta una fuerza F que lo mueve desde su posición inicial (A) hasta su posición final (B) mientras recorre una distancia dx.

A partir de la definición de presión, F y el vector de desplazamiento dl se pueden expresar en función del vector unitario u normal a la superficie:

Calcular el trabajo realizado por el gas en este proceso del estado A al estado B:

Dado que el producto Sdx es el cambio de volumen (dV) experimentado por el gas, finalmente podemos expresar:

En el sistema internacional, el trabajo se mide en julios (J).

Este trabajo se considera en términos de sistemas termodinámicos, por lo que este trabajo es positivo si lo realiza un gas (expansión) y negativo si lo realiza externamente al gas (compresión).

Trabajo en el diagrama p-V

Para calcular el trabajo realizado por el gas de la integral anterior, necesitamos conocer la función que relaciona presión y volumen, p(V). Esta función depende del proceso por el que pasa el gas.

Representando el estado inicial (A) y el estado final (B) en un diagrama p-V, el trabajo es el área encerrada bajo la curva que representa las transformaciones que sufre el gas para pasar del estado inicial al estado final. Como puede ver en el diagrama, el trabajo depende de cómo se realice la conversión.

Podemos concluir que:

El trabajo intercambiado por el gas depende de la transformación que sufre el gas para pasar del estado inicial al estado final.

Trabajo y calor para un sistema

Ejemplo

1) Una masa de 1.2 kg de aire a 150 kg y 12 ºC esta contenido en dispositivo hermético de gas de cilindro-émbolo sin fricción. Después el aire se comprime hasta una presión final de 600 kPa. Durante el proceso se trasfiere calor desde el aire para que la temperatura en el interior del cilindro se mantenga constante. Calcule el trabajo realizado durante este proceso.

Sustituyendo en la ecuación de W

3.2. Trabajo de sistema abierto operando en estado estable, con una entrada y una salida de flujo y sin fricción

El término estado estacionario significa que el estado en cualquier punto del dispositivo es constante a lo largo del tiempo. Para que esto sea cierto, todas las relaciones de tiempo deben ser constantes, y ninguna materia o energía puede acumularse dentro del dispositivo durante el tiempo que se investiga. Además, el caudal másico total debe ser el mismo en todos los puntos a lo largo de la trayectoria del flujo de líquido.

Líquido o líquido gaseoso fluye a través del dispositivo de la sección 1 a la sección 2. En la sección 1, la entrada al dispositivo, el estado fluido se identifica con el subíndice 1. En este punto, el fluido tiene altura relativa a algún nivel de referencia z, velocidad promedio u, volumen específico V1, presión P1, energía interna U1, etc. De manera similar, las condiciones de fluido en la Sección 2, que representan la salida del dispositivo, se identifican con el subíndice 2.

Considere la unidad de masa del fluido como un sistema y el cambio promedio que ocurre en el sistema a medida que el fluido fluye a través del dispositivo de la sección 1 a la sección 2. Los cambios pueden ocurrir en cualquiera de las tres formas de unidad de energía. H. Cambio de posición, movimiento, energía cinética por unidad de masa de fluido entre las secciones internas 1 y 2

    

                  

La ecuación queda como 

La fuerza en el lado de aguas arriba es P1A1 y el trabajo realizado por esa fuerza para empujar el cilindro hacia el dispositivo es

Representa el trabajo realizado por el entorno sobre el sistema. En la sección 2, el sistema interactúa con el medio ambiente cuando el cilindro de líquido sale del dispositivo. Este trabajo se da en

W representa el trabajo total realizado por una unidad de masa del fluido, por lo que debe ser igual a la suma algebraica del trabajo sobre el eje y el trabajo dentro y fuera del fluido. Eso es

En combinación con el resultad, la ecuación se convierte en:

  Esta ecuación es una expresión matemática de la primera ley para sistemas abiertos en estado estacionario. Todos los términos corresponden a la expresión de energía por unidad de masa del líquido. En el sistema de unidades SI, la energía se expresa en julios o múltiplos de los mismos. Para el sistema inglés de unidades, esta fórmula debe reescribirse para tener en cuenta la constante dimensional g, que está relacionada con las energías cinética y potencial:

En este caso, las unidades más utilizadas para AH y Q son (Btu), mientras que las energías cinética y potencial y el trabajo se expresan comúnmente en (lb, ft). Por lo tanto, se debe usar el factor 778.16(lb,ft)(Btu) para que todos los términos estén en unidades consistentes, ya sean (lb,ft) o (Btu).

En muchas aplicaciones relacionadas con la termodinámica, los términos de energía cinética y potencial son tan pequeños en comparación con los otros términos que pueden despreciarse. En este caso, la ecuación (2.10) se convierte en:

 

3.3  Trabajo en un proceso cíclico
 

Definimos un proceso cíclico, como aquel cuya secuencia de estados regresa el sistema a las condiciones iniciales:
se cumple un ciclo.
Los proceso cíclico constan, al menos, de una etapa de expansión (Wexp>0) y una de contracción (Wcont<0).
Corolario:
“Todo proceso cíclico puede dividirse en dos fases:

De lo anterior vemos que en la fase I, el calor es absorbido ( ), mientras que, en la fase II, se emite calor
( ). Puesto que el sistema vuelve a las condiciones iniciales se encuentra que.

Para un proceso cíclico, el área cubierta por la curva se puede calcular como la resta entre el valor del área cubierta por la curva cuando el volumen del proceso aumenta (durante la expansión) y el área cubierta por la curva cuando el volumen del proceso disminuye (durante la compresión).

3.4. Calor y proceso adiabático

Q = 0 proceso adiabático. Aquel en el que el sistema no intercambia calor. Por ejemplo, cuando se utilizan ambientadores y desodorantes, se produce un proceso casi adiabático. En estos casos 

(osegún el criterio del indicador elegido), es decir, el trabajo es una función del estado. Comprimir o expandir un gas en un proceso que no intercambia calor cambia su energía interna y, en consecuencia, su temperatura.

Estamos hablando del proceso adiabático cuando el sistema ni pierde ni gana calor. En otras palabras, ciertos sistemas en los que no se pierde ni se gana energía térmica se consideran procesos adiabáticos.

El término aislamiento térmico se refiere a elementos que impiden la transferencia de calor con el medio ambiente.

En termodinámica, un proceso adiabático es aquel en el que un sistema (generalmente un fluido que realiza trabajo) no intercambia calor con su entorno. Los procesos adiabáticos que también son reversibles se denominan procesos isentrópicos. En el extremo opuesto, cuando ocurre la máxima transferencia de calor y la temperatura permanece constante, se denomina proceso isotérmico.

El término aislamiento térmico se refiere a elementos que impiden la transferencia de calor con el medio ambiente. Un ejemplo sería una pared aislada muy cerca del límite de aislamiento. El calentamiento adiabático y el enfriamiento adiabático son procesos que ocurren con frecuencia debido a los cambios de presión del gas.

Joule demostró en su famoso experimento de expansión libre que la energía interna de un gas perfecto no depende del volumen (V) ni de la presión (P), sino sólo en función de la temperatura.

3.5. Sistema con transferencia de calor

Lo que pasa es que realmente nos interesa el coeficiente de transferencia de calor. Determinar la tasa de transferencia de calor hacia o desde un sistema, es decir, el tiempo de calentamiento o enfriamiento y el cambio de temperatura, es el tema de la ciencia de la transferencia de calor.

La transferencia de calor ayuda a responder las preguntas planteadas al principio de este artículo y juega un papel importante en el diseño de casi todos los dispositivos y dispositivos que nos rodean. Las computadoras y los televisores deben tener en cuenta las tasas de transferencia de calor que les permitan enfriar sin que el sobrecalentamiento afecte su funcionamiento, y los electrodomésticos, como hornos, secadoras y refrigeradores, deben garantizar las características previstas de calefacción/refrigeración para las que se comercializan.

Al construir una casa, se realizan estudios de transferencia de calor, sobre la base de los cuales se determina el espesor del aislamiento o sistema de calefacción.

En el campo industrial, los dispositivos tales como intercambiadores de calor, calderas, hornos, condensadores, baterías, calentadores, enfriadores y paneles solares se diseñan principalmente en base al análisis de transferencia de calor. Los equipos más avanzados, como automóviles y aviones, requieren estos estudios para evitar el calentamiento no deseado del motor y la cabina.

El proceso de transferencia de calor no solo aumenta, disminuye o mantiene la temperatura del objeto afectado, sino que también puede causar cambios de fase, como el derretimiento del hielo y la ebullición del agua. En ingeniería, los procesos de transferencia de calor a menudo se diseñan para aprovechar estos fenómenos. Las cápsulas espaciales que regresan a la atmósfera terrestre a velocidades muy altas están equipadas con escudos térmicos que se derriten de manera controlada para evitar el sobrecalentamiento dentro de la cápsula, en un proceso llamado ablación. La mayor parte del calor generado por la fricción con la atmósfera se usa para derretir el escudo térmico en lugar de elevar la temperatura de la cápsula. La transferencia de calor es, por lo tanto, el proceso de intercambio de energía en forma de calor entre diferentes cuerpos o entre diferentes partes del mismo cuerpo a diferentes temperaturas. Este calor se transfiere de tres formas: conducción, convección y radiación. Estos tres modos de infección a menudo ocurren simultáneamente, pero un mecanismo generalmente tiene prioridad sobre los otros dos.

Conducción de calor

La transferencia de calor por conducción ocurre cuando cuerpos de diferentes temperaturas están en contacto con o dentro del mismo cuerpo sólido. Esto se debe a que las partículas de los sólidos están muy juntas, a diferencia de los líquidos y los gases, donde hay espacio libre entre las partículas.

Convección de calor

La transferencia de calor por convección es el método por el cual se transfiere calor cuando un líquido o gas está en movimiento. Los sólidos no pueden transportar calor a través de este mecanismo.

Una forma de demostrar la transferencia de calor por convección es el siguiente experimento. Coloque agua y unas gotas de tinte azul en un lado de un acuario o acuario separado intermedio, y tinte rojo en el otro lado, como se muestra a continuación.

Luego, colocamos un lado del tanque sobre una olla con agua hirviendo y el otro lado sobre unos cubos de hielo y quitamos el separador. A medida que el agua roja empieza a calentarse, veremos como sube y desplaza hacia abajo el agua azul fría.

Radiación de calor

La transferencia de calor por radiación ocurre cuando no hay contacto entre los cuerpos. Esto es causado por ondas electromagnéticas como los rayos ultravioleta, los rayos infrarrojos y las microondas. Por ejemplo, no es necesario tocar la llama de una vela para sentir el calor que emite.

3.6. Primera ley de la termodinámica en

3.6.1. Forma general

La primera ley de la termodinámica relaciona la energía interna de un sistema con la energía que intercambia con el medio ambiente en forma de calor o trabajo.

La primera ley de la termodinámica establece que cuando se agrega calor a un sistema o se realiza trabajo, la energía interna del sistema aumenta. La fórmula depende del criterio de signo elegido para el sistema termodinámico:

Criterio IUPAC

Se considera positivo aquello que aumenta la energía interna del sistema, o lo que es lo mismo, el trabajo recibido o el calor absorbido.

Criterio IUPAC

Compresión Vi > Vf ⇒ Wsistema > 0 ⇒ El trabajo lo recibe el sistema del entorno ⇒ Aumenta la energía interna del sistema ⇒ ∆U > 0

Expansión: Vi < Vf ⇒ Wsistema < 0 ⇒ El trabajo lo cede el sistema al entorno ⇒ Disminuye la energía interna del sistema ⇒ ∆U < 0

Criterio tradicional

Se considera positivo el calor absorbido y el trabajo que realiza el sistema sobre el entorno.

Criterio tradicional

Compresión Vi > Vf ⇒ Wsistema < 0 ⇒ El trabajo lo recibe el sistema del entorno ⇒ Aumenta la energía interna del sistema ⇒ ∆U > 0

Expansión: Vi < Vf ⇒ Wsistema > 0 ⇒ El trabajo lo cede el sistema al entorno ⇒ Disminuye la energía interna del sistema ⇒ ∆U < 0

Como todos los principios de la termodinámica, la primera ley se basa en sistemas en equilibrio.

Por otro lado, probablemente hayas escuchado muchas veces que la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma. Este es el principio general de conservación de la energía. Ahora bien, la primera ley de la termodinámica es la aplicación de este principio a los procesos térmicos. En un sistema aislado en el que no hay intercambio de energía con el exterior, nos quedamos con:

Todo el universo puede considerarse un sistema aislado, por lo que su energía total permanece constante.

Finalmente, notamos que la diferencia de energía interna en función del estado depende solo de los estados inicial y final ΔU = Uf - Ui y no del camino tomado por el proceso. Por otro lado, el calor y el trabajo no son funciones de estado, por lo que sus valores dependen del transcurso del proceso. Esto está bien ilustrado en el diagrama de presión-volumen para un gas ideal, como se muestra a continuación.

¿Qué calor se intercambia en un proceso cuando se realiza un trabajo de 850 J, sabiendo que la diferencia de energía interna entre sus estados inicial y final es de 3 kJ? Suponiendo que el trabajo lo realiza un gas a una presión de 2 atm, ¿qué variación de volumen tiene lugar en el proceso?

Datos:

Variación de energía interna ∆U = 3kJ = 3·103 J

Trabajo W = 850 J

Presión p = 2 atm = 2·101325 = 202650 Pa

Resolución 

3.6.2. Sistema cerrado

Cuando usamos el término “sistema cerrado” nos referimos a la parte del universo que se está estudiando separada del resto, es decir, un sistema cuyas características no permiten el libre intercambio con el entorno. En otras palabras, es un sistema autónomo, independiente del resto del entorno, a diferencia de un sistema abierto.

Un sistema cerrado se caracteriza por:

• Está claramente separado del entorno, ya sea por una barrera o separación, o simplemente porque existe un límite muy marcado entre el interior y el exterior. En todo caso, ningún elemento obligatorio podrá superar estos límites de interior a exterior o viceversa.
• En algunos casos, la energía se puede intercambiar, pero no es libremente intercambiable y no se pueden introducir nuevos recursos desde el exterior.
• Entonces estos son sistemas autónomos y no requieren nada que no esté dentro del sistema mismo. Por lo tanto, los recursos son limitados.
• Un sistema completamente cerrado se llama sistema aislado y existe solo a nivel teórico.

3.7. Naturaleza de la energía almacenada

La cantidad que describe la energía almacenada por un sistema de partículas se llama energía interna (U). La energía interna es el resultado de la energía potencial entre las moléculas debido a las fuerzas gravitatorias, electromagnéticas y nucleares, así como al aporte de las energías cinética, rotacional, traslacional y vibracional de las moléculas o átomos constituyentes.

La energía interna es una función de estado. El cambio entre dos estados es independiente de la transformación que los conecta y solo depende de los estados inicial y final.

Como resultado, el cambio en la energía interna dentro del ciclo siempre es cero porque los estados inicial y final coinciden.

Energía interna de un gas ideal

Para un gas ideal, se deduce que la energía interna es simplemente la energía cinética, que depende solo de la temperatura, ya que el gas ideal ignora todas las interacciones entre sus moléculas o átomos constituyentes. Este hecho se conoce como Ley de Joule.

El cambio de energía interna de un gas ideal (monatómico o diatómico) entre dos estados A y B se calcula mediante la siguiente fórmula:

donde n es el número de moles y Cv es la capacidad calorífica molar a volumen constante. La temperatura debe especificarse en Kelvin. Para ilustrar esta ecuación, imaginemos dos isotermas caracterizadas por temperaturas TA y TB.

Un gas ideal siempre experimenta el mismo cambio de energía interna (ΔUAB) a la temperatura inicial TA ya la temperatura final TB según la Ley de Joule, independientemente del tipo de proceso que se realice.

Elijamos una transformación isocórica (mostrada en verde) para llevar el gas en la isoterma TA a otro estado de temperatura TB. Como no hay cambio de volumen, el trabajo realizado por el gas es cero. Luego aplique la primera ley de la termodinámica.

El calor intercambiado en el proceso viene dado por la fórmula:

donde C es la capacidad calorífica. Dado que este proceso se realiza a volumen constante, se utiliza el valor Cv (capacidad calorífica a volumen constante). Y finalmente tenemos:

Esta fórmula nos permite calcular el cambio de energía interna de un gas ideal dadas las temperaturas inicial y final y es válida independientemente de las transformaciones que sufra el gas.

3.8. Aplicar la primera ley de la termodinámica en diferentes sistemas cerrados, con o sin fricción

Los resultados obtenidos por Joule muestran que para sistemas aislados del exterior y con la misma cantidad de energía mecánica suministrada de diferente forma, los cambios observados dentro del sistema son los mismos. En este experimento, los cambios se registran cambiando la temperatura del sistema.

Es importante señalar que en estos experimentos el sistema está absorbiendo una cantidad constante de energía a pesar de que no se mueve, su energía cinética es cero, no se mueve con respecto al suelo y su energía potencial permanece constante. Esta energía se llama la energía interna del sistema. Estas experiencias nos ayudan a extender esta observación a todos los sistemas termodinámicos y suponer que agregar una cierta cantidad de energía mecánica W a un sistema aislado solo conduce a un aumento en la energía interna U del sistema. Por cantidad AU como:

Esta ecuación establece que la energía se aplica a un sistema aislado y constituye la definición de la energía interna U. La existencia de esta cantidad en cualquier sistema es una suposición conocida como la primera ley de la termodinámica. Si se realizaran experimentos Joule o similares en otros sistemas sin tomar precauciones para aislar el sistema del entorno, se observaría lo siguiente:

El ejemplo más simple sería calentar la misma cantidad de material que utilizó Joule y colocarlo directamente sobre el fuego hasta lograr el mismo cambio de temperatura. Tomando precauciones para evitar que cambien otras propiedades, concluimos que la misma energía suministrada en el experimento de Laure ahora es suministrada por el fuego, de ahí la cantidad de calor Q. Está claro que la energía perdida en la ecuación se debe a las pérdidas de calor causadas por el flujo de calor que sale del sistema debido a las diferencias de temperatura. para poder escribir:

3.9. Primera ley de la termodinámica en diferentes sistemas abiertos operando en estado estable, con o sin fricción

principio aplicado a sistemas abiertos (esto es, a un volumen de control) será:

es decir, el incremento de energía en ese volumen de control se debe a:

el calor aplicado sobre él

el trabajo en el eje aplicado sobre él

la suma de las entalpías totales específicas de la materia que entra y la resta de las entalpías totales específicas de la materia que sale

La entalpía total se define como:

Demostración

Considere un sistema A (esquema en la siguiente figura) definido por un límite completamente determinado Ω y un elemento de diferencia de masa adyacente dm.

Masa de control elegida para aplicar el primer principio a sistemas abiertos.

Si dm pueden ingresar al volumen de control a través de Ω y p es la presión ejercida sobre él por el ambiente externo cuando se excede el límite, entonces la interacción del trabajo es igual a

3.10. Máquina térmica y por eficiencia

La eficiencia de un motor térmico es esencialmente

y por lo tanto depende de la temperatura a la que opera. Sin embargo, es importante destacar que esto, combinado con las características de fabricación de la máquina, provoca una cierta pérdida de calor que conduce a una pérdida de eficiencia, por lo que la máquina no funciona al 100 % de su capacidad original, sino que tiene un rendimiento inferior.

Un motor térmico consiste en un dispositivo que produce trabajo mecánico a partir de energía térmica, pero no toda la energía térmica se convierte en energía mecánica y parte de esta energía se libera al medio ambiente o medio frío.

Bueno, si profundiza un poco más, encontrará que ninguna máquina tiene una potencia de salida más alta que la llamada termomáquina de Carnot. La termomecánica de Carnot se determina en función de la temperatura a la que funciona la máquina, pero también de las condiciones ideales en las que se fabrica la máquina.

Por supuesto, hay consideraciones de diseño que impiden que una máquina real logre el rendimiento de la máquina de Carnot. Las pérdidas de energía innecesarias por fricción, conducción y radiación reducen considerablemente el rendimiento de las máquinas reales. Sin embargo, estas pérdidas de potencia se compensan parcialmente con nuevos diseños, materiales más avanzados o mejores lubricantes, lo que permite que el rendimiento de la máquina en el mundo real se acerque al del motor de Carnot. Sin embargo, el rendimiento máximo que se puede obtener con cualquier máquina de enfoque intermedio será siempre el de la máquina de Carnot intermedia.

3.11. Refrigerador y por coeficiente de funcionamiento

La configuración experimental que se muestra es parte de un sistema desarrollado por de Marchi Neto et al. (2009) construyeron una instalación denominada tanque de almacenamiento (1,75 m de altura, 0,3 m de diámetro) que contenía 122 litros de agua caliente. ), la altura entre la salida de agua caliente del intercambiador de calor y la entrada de agua caliente en la parte superior del acumulador es de 0,70 m. Para este experimento se utilizó un frigorífico doméstico con compartimento frío de 263 litros y congelador de 74 litros. Se mantuvo el condensador original y se añadió un intercambiador de calor encima del mencionado condensador. Aletas y sistema de adquisición de datos. El consumo de energía del compresor del refrigerador se midió utilizando un calorímetro electrónico monofásico. Misma altura que la utilizada por De Marchi Neto et al. (2009) para un proyecto experimental, es decir, 0,70 m.

La dinámica de carga del acumulador se logra inyectando agua caliente del intercambiador de calor por la parte superior del tanque y luego extrayendo el mismo flujo de agua fría por la parte inferior del acumulador hacia el intercambiador de calor. calor. Así, se estableció el proceso de estratificación térmica del agua. H. Se forman tres zonas térmicas dentro del embalse. Una zona caliente, una zona fría y una zona intermedia entre las dos primeras, las llamadas isoclinas. Mediante el estudio del movimiento del frente cálido generado por el proceso de estratificación térmica, se determina el tiempo de tránsito entre termopares colocados a una distancia de 0,05 m dentro de la sonda en el tanque de almacenamiento térmico. De esta forma, dependiendo de la forma del acumulador, la velocidad del flujo de agua caliente que circula por el sistema es controlada por la escala de tubo transparente fijada en la parte superior del acumulador, dependiendo de la presencia o ausencia de una columna de agua. de altura máxima 0,10 metros Determinada por dos valores de presión hidrostática medidos.

DETERMINACIÓN DE COEFICIENTE DE OPERACIÓN EXPERIMENTAL

El agua caliente se calcula a partir de la geometría del depósito y el tiempo (t) se calcula a partir del desplazamiento del frente cálido entre dos termopares consecutivos.

El caudal de agua caliente y los valores de temperatura y presión medidos a la entrada y salida del intercambiador de calor (indirectamente) determinan el caudal de gas refrigerante (R-134a) que circula en el frigorífico. Existe un equilibrio entre los flujos de calor intercambiados entre el agua y el gas refrigerante. H. No hay pérdida de calor al medio ambiente en el intercambiador de calor. Los experimentos han demostrado que el agua no recupera completamente el calor del gas refrigerante, por lo que se almacena menos calor en el acumulador y el sistema se vuelve menos eficiente.

3.12. Bomba de calor

Una bomba de calor es un dispositivo que funciona en base a la termodinámica. La energía se transporta de un entorno (aire, agua, suelo) a otro en forma de calor. Basado en la energía térmica del aire, este proceso es causado por un cambio de estado a medida que el refrigerante pasa de líquido a gas. Se enfría porque absorbe calor y cambia de estado. Al pasar de gas a líquido, libera calor al aire o al agua, generando calor. Este proceso requiere un compresor que cambie la presión en el circuito y, por lo tanto, las temperaturas de evaporación y condensación (que están estrechamente relacionadas con la presión en el diagrama de Moliere).

La bomba de calor aire-agua consta de dos partes, el grupo bomba de calor superior y el acumulador inferior. Las bombas de calor se basan en el aprovechamiento de la energía producida por el cambio de estado del refrigerante. Este líquido circula en un circuito cerrado formado por:

• Compresor, cuyo trabajo permite el desarrollo del proceso ya que, al reducir el volumen del gas, facilita el escape de calor al aumentar su temperatura por encima de la del medio a calentar. Para este trabajo requiere normalmente energía eléctrica o energía química (gas natural) para transformarse en energía mecánica.
• Condensador. Intercambiador de calor situado siempre a la salida del compresor y a través del cual el fluido refrigerante en forma de vapor cede energía al agua del depósito por estar térmicamente más caliente que esta. A medida que va cediendo la energía condensa y vuelve a estado líquido.
• Válvula de expansión. Componente del circuito por el que pasa el fluido refrigerante y que, por medio de su cambio de sección, supone una reducción brusca de la presión al descender esta se produce un descenso de la temperatura de evaporación. La principal función de esta esta válvula, es evitar que llegue liquido al compresor, ya que cuando esto sucede el compresor se destruye instantáneamente.
• Evaporador. Otro intercambiador de calor situado a la salida de la válvula de expansión, que a través de su superficie ampliada por un sistema de aletas y gracias a haber descendido su temperatura de evaporación por debajo de la temperatura exterior del aire, permite el intercambio entre el fluido refrigerante y el aire exterior. En este intercambiador el fluido refrigerante pasa de líquido a estado vapor saturado.

Como la energía térmica solamente puede ir de un nivel de energía más alto a otro más bajo, el fluido refrigerante presente en el evaporador, necesariamente debe estar a una temperatura menor que la del aire ambiente. Por otra parte, el fluido refrigerante situado en el condensador debe tener también necesariamente, una temperatura superior a la del agua a calentar en el depósito para poder cederle energía. 

¿Cómo funciona una bomba de calor?

Un ejemplo claro de bomba de calor es el frigorífico. En este caso, se transfiere el calor del interior del frigorífico (reduciendo su temperatura) hacia el exterior, aumentando la temperatura de la estancia. En el caso de una bomba de calor para producción de agua caliente sanitaria el funcionamiento es similar: el gas absorbe el calor del aire del ambiente y lo cede al acumulador de agua a través de un condensador.

El principio de funcionamiento de la bomba de calor se basa en los principios de la termodinámica y se puede estructurar en 4 pasos:

-       En el primer paso el fluido refrigerante se encuentra a baja temperatura y a baja presión y, por lo tanto, en estado líquido. El aire aspirado del ambiente pasa a través del evaporador, dónde el fluido refrigerante absorbe la temperatura del aire ambiente y cambia de estado. Al mismo tiempo, el aire es expulsado a una temperatura más baja.

-       El fluido refrigerante llega al paso 2 en forma de vapor pero todavía a baja presión. Pasándolo a través del compresor se produce un aumento de la presión con el consiguiente aumento de temperatura. 

-       Como resultado se obtiene vapor en un estado elevado de energía (proveniente del calor del aire en el evaporador más el calor proveniente de la transformación de la energía eléctrica en energía calorífica). Este vapor situado en el paso 3 es el que circula por el condensador situado a lo largo del calderín donde va cediendo toda la energía al agua acumulada, volviendo así a estado líquido.

-       En el último paso del proceso, el fluido refrigerante ya en estado líquido se hace pasar por la válvula de expansión para obtener de nuevo el fluido en sus condiciones iniciales, es decir,  a baja presión y a baja temperatura. De esta forma se puede volver a iniciar el proceso.

3.13. Coeficiente de funcionamiento para una máquina

El coeficiente de rendimiento (COP) es una expresión de la eficiencia de una bomba de calor. Al calcular el COP para una bomba de calor, la salida de calor del condensador (Q) se compara con la potencia suministrada al compresor (W).

COP = .Q.

W

COP se define como la relación entre la potencia (kW) que se extrae de la bomba de calor como refrigeración o calor, y la potencia (kW) que se suministra al compresor.

3.14. Transferencia de energía por calor, trabajo y masa.

Al igual que la electricidad, la energía se transfiere hacia y desde los sistemas de tres formas: calor, trabajo y flujo de masa. Esta transferencia se expresa como pérdida o ganancia por parte del sistema porque la energía se detecta en el límite del sistema a medida que pasa a través de él. Solo hay dos formas de interacción de energía relevantes para la masa sólida o los sistemas cerrados: transferencia de calor y trabajo.

Transferencia de energía por calor, Q

El calor es la forma de energía no organizada, de la cual solo una parte se convierte en la forma de energía organizada, trabajo. Al transferir calor por encima de la temperatura ambiente a una máquina térmica, se puede producir trabajo a partir del calor y el calor residual se disipa en el medio ambiente.

Esta relación da la trasferencia de energía que acompaña la transferencia de calor de Q siempre que T sea mayor o menor que To.

Cuando T > To, aumenta la energía y la transferencia de calor disminuye.

Cuando T< To, disminuye la energía y la transferencia de calor aumenta.

Cuando T= To, la energía transferida debido al calor es cero.

Observe que la transferencia de calor debida a una diferencia finita de temperatura es irreversible, y como resultado genera una entropía. La generación de entropía siempre está acompañada por la destrucción de la energía.

Transferencia de energía por Trabajo, W

La exergía es el potencial de trabajo útil, y la transferencia de exergía por trabajo puede expresarse simplemente como:

En el caso de un sistema que involucra trabajo de frontera, como un dispositivo cilindro-émbolo, el trabajo realizado para empujar el aire atmosférico durante la expansión no puede transferirse, entonces debe retirarse.

Transferencia de energía por Masa, m

La masa contiene energía, así como energía y entropía; las tasas que proporcionan transportación de energía hacia dentro o fuera del sistema son proporcionales al flujo másico.

El flujo másico es un mecanismo para transportar energía, entropía y energía dentro o fuera de un sistema

3.15. Transferencia de calor.

La transferencia de calor es el proceso de transferir calor de un lugar a otro que ocurre cuando hay un gradiente térmico de temperatura. Este proceso continúa hasta que las temperaturas son iguales (equilibrio térmico) y la energía se transfiere entre las temperaturas a través de cambios en la presión, la temperatura y el volumen.

Conducción: Es la transferencia de calor provocada por el contacto directo entre dos cuerpos con diferencia de temperatura, ya sea sólido, líquido o gas, y el movimiento de partículas de un cuerpo más caliente a otro más frío.

Convección: La transferencia de calor por convección es la transferencia de calor a través del movimiento molecular en un fluido (gas o líquido). Puede ocurrir convección natural o forzada (o una combinación de ambas).

Radiación: Es la radiación electromagnética emitida por objetos con temperaturas superiores al cero absoluto. En ausencia de un medio, todas las superficies de temperatura finita irradian energía en forma de ondas electromagnéticas, por lo que existe una transferencia neta de calor por radiación entre dos superficies de diferentes temperaturas.

3.16. Transferencia de energía por trabajo.

Trabajar. Es la energía asociada con las fuerzas que actúan a distancia. Se suele decir que si la energía que cruza la frontera de un sistema cerrado no es calor, debe ser trabajo.

El trabajo realizado durante el proceso entre dos estados (estado 1 y estado 2) se denota por 𝑊12 y por unidad de masa está dado por:

El trabajo realizado por unidad de tiempo se llama potencia y se denota por 𝑊12 y está en unidades de kJ s o kW.

Hay que decir que el calor y el trabajo son cantidades indicadas, no propiedades. Más bien, son mecanismos de transferencia de energía. Una cantidad transferida hacia o desde el sistema durante una interacción o proceso.

También tenga en cuenta que estas son funciones de ruta (cuya magnitud depende de las rutas recorridas durante el proceso y los estados inicial y final).

A diferencia de las funciones puntuales con derivadas exactas d (por ejemplo, propiedades que dependen solo del estado del sistema y no del camino), las funciones de camino tienen derivadas imprecisas denotadas por 𝛿.

3.17. Formas mecánicas de trabajo.

Hay diferentes formas de hacer trabajo, cada una relacionada con una fuerza actuando sobre una distancia.

Esta fuerza actúa sobre una distancia 𝑠 que esta relacionada al radio 𝑟 por:

𝑊 = 12

Existen dos requerimientos para que se dé una

interacción de trabajo entre un sistema y sus alrededores: (1) debe haber alguna fuerza actuando sobre la frontera, y (2) la frontera debe moverse.

Trabajo de eje

La transmisión de energía con un eje es muy común en prácticas ingenieriles. Comúnmente el torque 𝑇 que es aplicado al eje es contante, lo que implica que la fuerza 𝐹 aplicada también es contante.

3.18. Principio de conservación de la masa.

Lavoisier demostró que cuando se lleva a cabo una reacción química, la masa no se crea ni se destruye, sino que simplemente se transforma, es decir, en reactivo, porque los átomos de la materia están dispuestos de manera diferente.

“La masa no se crea ni se destruye, sólo se transforma”. En una reacción química la suma de la masa de los reactivos es igual a la suma de la masa de los productos"

3.19. Trabajo de flujo y la energía de un fluido en movimiento.

A medida que disminuye el volumen del sistema cerrado, PdV actúa sobre el gas dentro del sistema. Cuando la masa fluye hacia un sistema abierto, la masa en el sistema es comprimida por la masa entrante.

Al contar todos los mecanismos de trabajo posibles para transportar energía a través de los límites de un sistema, se presta especial atención al trabajo realizado en los límites abiertos (o de flujo), especialmente el trabajo de PdV realizado en masas en sistemas abiertos. El propósito de esta sección es proporcionar una expansión y explicación más detallada del trabajo de flujo y la fuerza de flujo.

Si una función V(t) es continua para valores de t1≤t≤t2 entonces hay un valor de V tal que

Considere un tanque rígido con una entrada como se muestra el interior del tanque es un sistema abierto con un volumen constante (ver volumen dentro de las líneas discontinuas). Se muestra tres instantáneas de un sistema cerrado (la sustancia “gris”) que fluye hacia el tanque. Imagínese que el sistema cerrado es la masa que se ha teñido de “gris”. En el momento t1, el sistema cerrado se encuentra parcialmente fuera del tanque. Poco tiempo después en el tiempo t2, el sistema cerrado ocupa el mismo volumen que el sistema abierto. Aún más tarde en el momento t3, el sistema cerrado ocupa menos volumen que el sistema abierto.

3.20. La primera ley de la termodinámica.

Ejercicios 

¿Cuál es el incremento en la energía interna de un sistema si se le suministran 900 calorías de calor y se le aplica un trabajo de 550 joules?

Datos

ΔQ = 900 cal

ΔW = -550 J

Solución: 

Respuesta: 4330 J

 Un sistema realiza un trabajo de 2500 cal para incrementar su energía interna en 4000 cal. ¿Cuánto calor en Joules se le suministraron?

Datos

ΔW = 2500 cal

ΔU = 4000 cal

Solución: 

Resultado = 27300 Joules

3.21. Balance de energía.

Una muestra de 3.68 libras de bicarbonato de sodio (Na2CO3) cuesta 90 centavos de dólar. ¿Cuántos gramos de esta sustancia contiene la muestra? El factor para convertir libras a gramos es de 454 g/lb, por lo tanto se tiene:

Relación entre masa y volumen  La densidad (ρ) de una sustancia es la masa por unidad de volumen de la sustancia (kg/m3, g/cm3, lbm/ft3, etc.).  El volumen específico de una sustancia  es el volumen por unidad de masa de dicha sustancia (m3/kg, ft3/lbm, etc.) y es, por lo tanto, el inverso de la densidad.   Las densidades de los sólidos y líquidos puros son relativamente independientes de la temperatura y la presión, y pueden encontrarse en la bibliografía clásica.  La densidad de una sustancia puede utilizarse como un factor de conversión para relacionar la masa y el volumen de una cantidad de esa sustancia.  El peso específico (PE) de una sustancia es el conciente de la densidad de la sustancia entre la densidad de una sustancia de referencia (ρref) en condiciones específicas; por lo tanto PE = ρ / ρref La sustancia de referencia más frecuentemente utilizada para sólidos y líquidos es el agua a 4.0 °C, que tiene una densidad de: ρref (H2O, 4°C)= 1 g/cm3 = 1000 kg/m3 =62.43 lbm/ft3. 

Calcule la densidad del benceno en lbm/ft3 y el volumen en ft3 que ocupan 308 kg de esa sustancia.  El peso específico del benceno a 20°C es 0.879.

3.22. Cambio de energía de un sistema.

Hay dos tipos de energía transferida en los sistemas termodinámicos: calor y trabajo. Ninguna de estas cantidades son funciones de estado. Porque estas no son las propiedades del sistema, sino la energía suministrada al sistema durante la conversión y por lo tanto dependen de él.

A medida que el sistema pasa de algún estado inicial A a B, su energía interna cambia. Durante la transformación se suman trabajo y calor, y la relación entre las tres cantidades (parte central del diagrama) se denomina primera ley de la termodinámica.

3.23. Balance de energía para sistemas cerrados.

El balance de energía, como el balance de materia, es una derivación matemática de la "ley de conservación de la energía" (la primera ley de la termodinámica), que establece que "la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma". Principio físico fundamental que contribuye a determinar la cantidad de energía intercambiada y almacenada en un sistema, como la conservación de la masa. La tasa de transferencia de calor depende directamente de dos variables: la diferencia de temperatura entre los cuerpos fríos y calientes y el área superficial disponible para el intercambio de calor. Otros factores también juegan un papel, como la geometría y las propiedades físicas del sistema, y ​​las condiciones de flujo si hay un fluido presente. Los líquidos en el biprocesador deben calentarse o enfriarse. Los ejemplos típicos incluyen la eliminación de calor usando agua de enfriamiento durante el proceso de fermentación y calentando el medio original a la temperatura de esterilización con vapor. Una de las principales preocupaciones del balance de energía es determinar cuánta energía tiene un sistema. Sin embargo, no podemos determinar esto. En otras palabras, no podemos conocer la energía absoluta en ningún momento dado. En la práctica, nos interesa conocer los cambios en los niveles de energía que puede experimentar un sistema, y ​​para ello necesitamos definir claramente los límites entre el sistema o sus partes y el medio o entorno.

Los objetivos del balance de Energía son:

• Determinar la cantidad energía necesaria para un proceso.
• Determinar las temperaturas a las cuales el proceso es más eficiente.
• Disminuir el desperdicio de energía.
• Determinar el tipo de materiales y equipos que mejor sean más eficientes.

3.24. Balance de energía para sistemas de flujo estable.

El hecho de que se diga que un proceso es estable significa que la masa total en el volumen de control no cambia con el tiempo, es decir, la masa dentro del sistema es siempre la misma. El caudal másico es importante en este tipo de proceso.

El principio de conservación de la masa para un sistema general de flujo estacionario con múltiples entradas y salidas se expresa en forma de velocidad como flujo constante.

Esto significa que la suma de las velocidades de masa entrantes es igual a la suma de las velocidades de masa salientes.

Los dispositivos técnicos comunes, como boquillas, difusores, turbinas, compresores y bombas, tienen solo una entrada de energía y una salida de energía. Entonces, generalizar a un dispositivo de flujo único sería:

3.25. Balance de energía para procesos de flujo no estable.

Durante un transformación de ola asentado en la vida ocurre altibajo de corpulencia de cuidado, luego cuando tenemos ahínco en un transformación donde tiene que gozar cambios interiormente del corpulencia de cuidado con reunión, esto tiene que gozar con procesos de ola en la vida asentado. Cuando se analiza un transformación de saliente pájaro hay que mantener en perla el espaciosidad de muchedumbre y hecho de corpulencia de cuidado, de esta manera como de las interacciones de hecho a través de la frontera.

La canon de un cántaro yerto desde una formación de acopio es un transformación de ola en la vida asentado por que tiene unión con cambios en el corpulencia de cuidado.

Algunos procesos de ola en la vida asentado canción la canon de recipientes rígidos a quebrar de líneas de avituallamiento la salva de un acuoso desde un cántaro a obstrucción, el accionamiento de la dinamo de gas con el ademán apelmazado almacenado en un gran contenedor, el grande de llantas ya globos e aún preparar en puchero de obstrucción

La circunstancia y silueta interiormente de un corpulencia de cuidado pueden trastornar durante un transformación de ola en la vida asentado

El ola en la vida asentado comienza y termina en un reunión finito en ves de restar indefinidamente.

Otra disconformidad entre los flujos en la vida estables y los estables es que los estables canción fijos en espacios, silueta y circunstancia en diana los sistemas en la vida estables pueden organismo estacionarios, fijos en el extensión no obstante pueden entrometer las fronteras móviles.

El balance de masa para cualquier sistema que experimenta algún proceso se puede expresar como:

mentrada – msalida = Δmsistema (kg)

Donde: Δmsistema = mfinal -minicial es el cambio de la masa del sistema. Para volúmenes de control también se puede expresar de manera más explícita como:

mi –me = (m2 –m1)vc

Donde i=entrada, e=salida, 1=estado inicial, 2=estado final del volumen de control con frecuencia uno o más términos de la ecuación anterior son cero. Por ejemplo mi es cero cuando en el proceso no entra masa dentro del volumen de control. me=0 si o sale masa y m1=0 si al inicio se evacua el volumen de control.