El documento resume los principios fundamentales de la primera ley de la termodinámica, incluyendo que la energía no se puede crear ni destruir, sólo puede cambiar de forma. Explica conceptos como trabajo, calor, energía interna, entalpía y diferentes tipos de procesos termodinámicos como isotérmicos, isobáricos e isocóricos. También cubre las relaciones entre presión, temperatura y volumen para gases ideales en estos procesos.
2. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
5. PRINCIPIO DE LA CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA
“La energía no se puede crear ni destruir durante un proceso; sólo
puede cambiar de forma”
Mediciones experimentales demostraron que para todos los procesos
adiabáticos entre dos estados especificados de un sistema cerrado,
el trabajo neto realizado es el mismo, sin importar la naturaleza del
sistema cerrado ni los detalles del proceso
La energía total E es una propiedad termodinámica pues el valor de
su cambio no depende de cómo se realiza ese cambio o proceso
3. Ejemplos de sistemas cerrados que experimentan procesos debido al
intercambio de calor y trabajo
(Qentrada – Qsalida) + (Wentrada – Wsalida) = Esistema
Trabajo de frontera
Cambia el volumen
4. CP capacidad calorífica a presión constante
CV capacidad calorífica a volumen constante
Capacidades caloríficas
5. Capacidades caloríficas para gases ideales (valores constantes)
GAS CV CP = CP / CV
Monoatómico:
He, Ar, Xe
3/2 R 5/2 R 5/3 = 1.67
Diatómico:
O2, H2, CO, N2, Aire
5/2 R 7/2 R 7/5 = 1.40
Poliatómico:
CO2, NH3, SO2, CH4
7/2 R 9/2 R 9/7= 1.29
R = 8.314 J/mol K
Cuando no se disponga de tablas que proporcionen los valores de
Cp y CV para gases, se puede estimar su valor según la siguiente
tabla:
6. Energía interna (U)
La energía interna es la energía asociada a la estructura química de la
materia: moléculas, enlaces químicos, fuerzas intermoleculares, fase.
Esta propiedad depende fundamentalmente de la temperatura y de una
propiedad importantísima que es la capacidad calorífica a volumen
constante (CV)
Cuando el sistema, constituido por materia, sufre un proceso, cambia su
energía interna.
U = m CV (T2 – T1 )
7. La entalpía no tiene un significado físico, como si lo tiene la energía
interna; sin embargo es una propiedad termodinámica definida por
conveniencia y simplificación de cálculos.
Esta propiedad termodinámica se definió por conveniencia al ver que
aparecían muy a menudo los términos u + P, cuando se analizaban
ciertos sistemas, en especial los sistemas abiertos.
H = U + PV (J, kJ)
Entalpía (H)
h = u + P (J/kg, kJ/kg)
H = m CP (T2 – T1 )
Cuando se tenga un proceso, la variación de entalpía se calcula según:
8. integrando
W = F. dx
W = PA.dx
W = P.dV
V2
W12 = P.dV
V1
El trabajo W12 está
representado por el área
bajo la trayectoria del
sistema de 1 hasta 2
Es una forma de trabajo mecánico que está relacionada con la expansión
o compresión en un dispositivo de cilindro-pistón ( o cilindro-émbolo)
F
dx
dV
A
Ap
6. Trabajo de frontera móvil (wF)
9. 6.1 PROCESO ISOTÉRMICO dT = 0, T = K
W12 = P.dV
W12 = (nRT / V) dV
V2
W12 = nRT ln
V1
P1
W12 = nRT ln
P2
P2V2 = P1V1
PV = k
Procesos
Compresión isotérmica
Expansión isotérmica
PV = k
… Trabajo de frontera en procesos reversibles
PV = nR T
Gases ideales
10. 6.2 PROCESO ISOBÁRICO dP = 0, P = k
W12 = P.dV
W12 = P V = n R T
V2 V1
=
T2 T1
PV0 = k
Procesos:
Calentamiento isobárico
Enfriamiento isobárico
V = k T
11. 6.3 PROCESO ISOCÓRICO dV = 0, V = k
QV = U
W12 = P.dV = 0
P2 P1
=
T2 T1
PV = k
P = k T
Procesos:
Calentamiento isocórico
Enfriamiento isocórico
12. 6.4 PROCESO ADIABÁTICO Q = 0 no hay transferencia de calor
T2 P2
=
T1 P1
( - 1)/
T2 V2
=
T1 V1
(1 - )
PV = k (relación PV exponencial)
W12 = P.dV = (kV- )dV
W12 P2V2 - P1V1]
= ( 1 – )
W12 k V2
(- +1) - V1
(- +1)]
= ( 1 – )
P
V
Relaciones entre P, T, V
PV = k
P2 V2
= P1 V1
= CP / CV
13. 6.5 PROCESO CÍCLICO O CICLO
Aplicaciones: análisis de motores de combustión interna ideales: Otto,
Diesel, etc
Wneto, ciclo = W12 + W23 + W34 + W41
Qneto, ciclo = Q12 + Q23 + Q34 + Q41
Qneto, entrada – Wneto, salida = Usistema = 0
el sistema
retorna al
estado inicial
Qneto, ciclo = Wneto, ciclo
1
2
3
4
p
V
Wneto
1
2
p
V
3
4
Wneto
http://www.youtube.com/watch?v=sEf8va1S7Sw
http://www.youtube.com/watch?v=LSqXSpQNpUQ&feature=related
Notes de l'éditeur
Como vemos, el cálculo requiere de una propiedad termodinámica importantísima, LA CAPACIDAD CALORÍFICA
Las capacidades caloríficas CP (a presiòn constante) y CV (a volumen constante) son propiedades que varían con la temperatura. Sin embargo, con fines prácticos, supondremos que son constantes
Estas capacidades caloríficas son casi iguales en sustancias en el estado sólido y líquido, pero son diferentes para los gases.
Las capacidades CP y CV se han determinado experimentalmente y se tiene disponible abundante información sobre ellas en los textos y manuales de ingeniería
Veamos la utilización de cada una de estas capacidades caloríficas
El primer gráfico representa el calentamiento de una sustancia a presión constante, varía su volumen y la cantidad de calor se evalúa mediante la variación de entalpía y ésta con el Cp
El segundo gráfico representa el calentamiento de una sustancia a volumen constante, no varía su volumen y el cálculo del calor se realiza mediante la variación de energía interna usando el Cv
Como se observa, el calor es mayor en el primer caso porque el sistema realiza un trabajo de frontera que consume una cantidad adicional de energía que no es consumida en el proceso a volumen constante
Cuando no se dispone de información, una buena aproximación se obtiene al tomar los valores que aparacen en la siguiente tabla
Como se puede observar, los valores de las capacidades caloríficas dependen de la atomicidad del gas, es decir, del número de átomos que conforman la molécula del gas
En la última columna aparece la relación entre la capacidad calorífica a presión constante y la capacidad calorífica a volumen constante, relación que se utiliza en los procesos adiabáticos.
Las capacidades caloríficas están en función de la constante universal de gases ideales, R. Ru es utilizada por el libro texto del autor Cengel, aunque con frecuencia omitimos el subíndice u
Para el tema de energía, la constante original tiene las unidades de joules sobre mol y grado kelvin. Numéricamente es igual si las unidades son: kilo joules sobre kilomol y grado kelvin
Cuando usamos masa en lugar de moles, la constante universal se divide entre la masa molar del gas estudiado y así aparecen las unidades de: joules sobre gramo y grado kelvin o kilojoule sobre kilogramo y grado kelven
