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Clase 02 energía

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Clase 02 energía

  1. 1. TERMODINÁMICA Clase 02: Energía PANTOJA-GUERRERO, R.A. Marzo 1 de 2013 PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 1 / 28
  2. 2. Contexto La energía a nivel mundial Contexto Mundial Fuente: International Energy Agency (2012) La energía es fundamental para todas las actividades humanas, a nivel mundial se obtiene de diversas fuentes PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 2 / 28
  3. 3. Contexto Energía en Colombia Colombia Fuente: Unidad de Planeación Minero-energética en Colombia UPME (2012) En Colombia, la energía eléctrica principalmente se obtiene a partir de las hidroeléctricas PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 3 / 28
  4. 4. Contexto Fuentes de la energía Fuentes de energía Fuente: http://www.earthlyissues.com/renew.htm Según la fuente, la energía puede clasificarse como renovable o no renovable. PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 4 / 28
  5. 5. Contexto Fuentes de la energía Tipos de energía Fuente: http://alessiobernardelli.wordpress.com/2011/05/12/i-really-want-a-free-copy-of-imindmap-5-ultimate/ La energía se presenta en múltiples formas según sea usada PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 5 / 28
  6. 6. Unidades de la energía y potencia Unidades de la energía en SI y USCS Unidades de la Energía Fuente: http://www.vfundude.com/2012/06/what-is-work-physics-and-definition-of-work/ Work = cosθ −→ F .s Unidades de energía del sistema internacional 1 J=1N.m=1kgm s2 PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 6 / 28
  7. 7. Unidades de la energía y potencia Unidades de la energía en SI y USCS Unidades del sistema Inglés Unidades de USCS y otras 1lb ft s2 .ft = 1lbf.ft 1 BTU = 778.169 lbf.ft 1 BTU = 252 cal 1 cal = 4.1868 J 1 BTU = 1055.055056 J PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 7 / 28
  8. 8. Unidades de la energía y potencia Potencia La potencia Fuente: http://auto.howstuffworks.com/horsepower.htm Definición La potencia se define como la velocidad a la que se transforma la energía Potencia=Energ«ıa Tiempo 1W=1J s 1HP = 550 lbf .ft s 1 HP = 745.7 W 1kW.h = 1kJ s x3600s = 3600kJ PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 8 / 28
  9. 9. Energía potencial y energía cinética Energía potencial Energía potencial Definición Ep = mgz ep = gz Tanto la energía cinética como la energía potencial dependen del estado inicial y final (Son propiedades de estado) Ep = EpFinal − EPInicial PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 9 / 28
  10. 10. Energía potencial y energía cinética Energía cinética Energía cinética Definición Ep = m −→ V 2 2 ep = −→ V 2 2 1 m2 s2 = 1 kg.m2 kg.s2 = 1 kg m2 s2 1 kg = 1 J kg PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 10 / 28
  11. 11. La energía en forma de trabajo Definición de trabajo Definición del trabajo El trabajo NO es función de estado, depende de la trayectoria termodinámica δW = −→ F.dx W1 2 = ˆ δW La potencia está definida como ˙W = δW dt PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 11 / 28
  12. 12. La energía en forma de trabajo El trabajo de eje o de torque Trabajo de torque El torque es el trabajo que se transfiere por el uso de un eje. Wτ = (2π_τ)t _Wτ = 2π_Nτ PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 12 / 28
  13. 13. La energía en forma de trabajo El trabajo eléctrico Trabajo eléctrico El amperaje y el voltaje se multiplican para calcular la potencia transferida por un dispositivo eléctrico o electrónico WEE = (IV)t _WEE = IV 1W = 1 V.A. PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 13 / 28
  14. 14. La energía en forma de trabajo El trabajo de expansión y compresión Trabajo de expansión y compresión El trabajo de expansión y compresión sucede muchas veces en los motores de combustión interna y es básico para entender otros fenómenos fisicoquímicos. Durante la transferencia de trabajo, el volumen del sistema cambia. También puede cambiar la presión o la temperatura. PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 14 / 28
  15. 15. La energía en forma de trabajo El trabajo de expansión y compresión Ecuación básica para el trabajo de expansión δW = − −→ F dx δW = − −→ F dx A A = − −→ F A A.dx δW = −P.A.dx = −P.dV PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 15 / 28
  16. 16. La energía en forma de trabajo El trabajo de expansión y compresión Trabajo de un proceso isobárico Cuando la presión es constante... δW = −P.dV P = cte. ˆ δW = − ˆ P.dV = −P ˆ dV −P ˆ dV = −P V ˆ δW = −P V W1 2 = −P V V = V2 − V1 PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 16 / 28
  17. 17. La energía en forma de trabajo El trabajo de expansión y compresión Trabajo de un proceso isotérmico Cuando el producto PV es constante... δW = −P.dV PV = k P = k/V ˆ δW = − ˆ k V .dV = −k ˆ dV V −k ˆ dV V = −k.ln V2 V1 ˆ δW = −k.ln V2 V1 W1 2 = −k.ln V2 V1 k = P1V1 = P2V2 PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 17 / 28
  18. 18. La energía en forma de trabajo El trabajo de expansión y compresión Trabajo de un proceso politrópico Para un proceso politrópico... δW = −P.dV PV n = k P = k.V −n Donde n es una constante...la constante de un proceso politrópico ˆ δW = − ˆ PdV = − ˆ k.V −n dV −k ˆ V −n dV = −k V −n+1 2 − V −n+1 1 −n + 1 PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 18 / 28
  19. 19. La energía en forma de trabajo El trabajo de expansión y compresión Continuación...Trabajo politrópico Continuación... Como PV n = k y k = P1V n 1 = P2V n 2 −k V −n+1 2 − V −n+1 1 −n + 1 = (P2V n 2 )(V −n+1 2 ) − (P1V n 1 )(V −n+1 1 ) 1 − n ˆ δW = − ˆ PdV = W1 2 = (P2V2) − (P1V1) 1 − n W1 2 = (P2V2) − (P1V1) 1 − n PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 19 / 28
  20. 20. La energía en forma de trabajo El trabajo de expansión y compresión Unidades del producto PV Muy importante!!!!!!! PV [=]1 Pa.m3 = 1 N m2 m3 = 1N.m = 1J Si se usa el volumen específico... Pv[=]1 Pa.m3 kg = 1 J kg Si se usa el volumen molar P ˜V [=]1 Pa. m3 kgmol = 1 J kgmol En USCS?? 1 psia.ft3 ????? BTU????? Joul????? Y ESTAS CONVERSIONES SE USAN EN TODAS LAS ECUACIONES PRECEDENTES!!!!!!!! PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 20 / 28
  21. 21. El Calor Definición de calor El calor Y entonces ¿Cual es la conclusión aquí? Para que el calor pueda transferirse se requiere que exista una diferencia de temperaturas a lo largo del espacio de transferencia. PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 21 / 28
  22. 22. El Calor Mecanismos de transferencia de calor Los mecanismos de la transferencia de calor Mecanismos de tranferencia de calor CONDUCCIÓN: A través de un sólido, liquido o gas SIN movimiento neto molecular CONVECCIÓN: A través de un líquido o gas CON movimiento neto RADIACIÓN: Es un fenómeno de ondas en el que no se requiere la materia PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 22 / 28
  23. 23. El Calor Diagramas PV, trabajo y calor... Diagramas PV El trabajo y el calor son funciones de trayectoria Dependen del proceso termodinámico, de la forma de la ruta. NO dependen de los estados inicial y final ˆ δW = W1 2 ˆ δQ = Q1 2 PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 23 / 28
  24. 24. Energía interna y entalpía. La energía interna U Energía Interna La energía interna: Propiedad termodinámica Es una propiedad de las sustancias puras Es la energía propia de las sustancias y contabiliza, internamente, varias formas de energía... Es la suma de energía intrínseca y extrínseca Extrínseca como la energía cinética de rotación y traslación de las moléculas respecto a un eje coordenado Intrínseca como la energía de los átomos, los enlaces, el núcleo, electrostática, magnética PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 24 / 28
  25. 25. Energía interna y entalpía. La energía interna U Energía interna (Continuación...) La energía interna U Algunas de estas se pueden medir directamento y otras no son de fácil medida Todas estas energías se suman en una sola propiedad LA ENERGÍA INTERNA U Es útil en el balance de energía de sistemas cerrados... ˆ dU = U = U2 − U1 U[=]kJ u[=] kJ kg ˜U[=] kJ kgmol PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 25 / 28
  26. 26. Energía interna y entalpía. La entalpía H La entalpía La entalpía Es una propiedad termodinámica bastante útil que está definida en función de la energía interna, la presión y el volumen También es una propiedad de estado H ≡ U + PV ˆ dH = H = H2 − H1 h ≡ u + Pv H ≡ ˜U + P ˜V Es una propiedad múy útil para evaluar sistemas abiertos (Donde hay transporte de materia) PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 26 / 28
  27. 27. Labores de estudio independiente Lecturas obligatorias Lecturas obligatorias Incluir en la lectura la solución de los ejercicios de ejemplo. 1 Cengel, Y. A., & Boles, M. A. (2006). Thermodynamics: an engineering approach. McGraw-Hill Higher Education. Sección 2.1 hasta la Sección 2.6 2 Wark, K., & Richards, D. E. (2001). Termodinámica. McGraw-Hill. Capítulo 2, con especial énfasis en el capítulo 2.6 PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 27 / 28
  28. 28. Labores de estudio independiente Ejercicios propuestos Ejercicios propuestos Incluir en la lectura la solución de los ejercicios de ejemplo. 1 Cengel, Y. A., & Boles, M. A. (2006). Thermodynamics: an engineering approach. McGraw-Hill Higher Education. Ejercicios del 2.8 al 2.14 Ejercicios del 2.43 al 2.50 Ejercicios del 2.69 al 2.74 2 Wark, K., & Richards, D. E. (2001). Termodinámica. McGraw-Hill. Ejercicio del 2.13 al 2.21I Ejercicios del 2.39 a 2.65 Las respuestas a algunos de los ejercicios planteados están en el apéndice respectivo (WARK) o incluso están en el enunciado planteado (WARK) PANTOJA-GUERRERO, R.A. () TERMODINÁMICA Clase 02: Energía Marzo 1 de 2013 28 / 28

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