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• Rojo Aviador

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PIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA La primera ley de la termodinámica o Primer Principio de la termodinámica es una aplicación de la ley universal de conservación de la energía a la termodinámica y, a su vez, identifica el calor como una transferencia de energía. Uno de los enunciados de la primera ley de la termodinámica es el siguiente: El incremento de la energía interna de un sistema termodinámico es igual a la diferencia entre la cantidad de calor transferida a un sistema y el trabajo realizado por el sistema a sus alrededores. Conservación de la energía La ley de la conservación de la energía constituye el primer principio de la termodinámica y afirma que la cantidad total de energía en cualquier sistema aislado (sin interacción con ningún otro sistema) permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede transformarse en otra forma de energía. En resumen, la ley de la conservación de la energía afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo se puede cambiar de una forma a otra, por ejemplo, cuando la energía eléctrica se transforma en energía calorífica en un calentador Aplicaciones de la Primera Ley • Sistemas cerrados: Un sistema cerrado es uno que no tiene entrada ni salida de masa. El sistema cerrado tiene interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, así como puede realizar trabajo de frontera. La ecuación general para un sistema cerrado (despreciando energía cinética y potencial) es: Q − W = ΔU Donde Q es la cantidad total de transferencia de calor hacia o desde el sistema (positiva cuando entra al sistema y negativa cuando sale de éste), W es el trabajo total (negativo cuando entra al sistema y positivo cuando sale de éste) e incluye trabajo eléctrico, mecánico y de frontera; y U es la energía interna del sistema. Q ( - ) salida de calor

Q ( + ) entrada de calor •

Sistemas abiertos

Un sistema abierto es aquel que tiene entrada y/o salida de masa, así como interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, también puede realizar trabajo de frontera. La ecuación general para un sistema abierto es:

O igualmente:

Q − W + ∑ minθin − ∑ moutθout = ΔEsistema in out Donde in representa todas las entradas de masa al sistema; out representa todas las salidas de masa desde el sistema; y θ es la energía por unidad de masa del flujo y comprende entalpía, energía potencial y energía cinética,

.

La energía del sistema es •

Sistemas abiertos en estado estacionario

El balance de energía se simplifica considerablemente para sistemas en estado estacionario (también conocido como estado estable). En estado estacionario se tiene ΔEsistema = 0, por lo que el balance de energía queda:

•

Sistema Aislado

Es aquel sistema en el cual no hay intercambio ni de masa ni de energía con el exterior. Análisis como queda la ecuación de la primera ley de la termodinámica para éste sistemas? EL Calor

Es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas que forman la materia. El calor puede ser generado por reacciones químicas (como en la combustión), nucleares (como en la fusión nuclear de los átomos de hidrógeno que tienen lugar en el interior del Sol), disipación electromagnética (como en los hornos de microondas) o por disipación mecánica (fricción). Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibre. El calor puede ser transferido entre objetos por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos los mecanismos anteriores se encuentran presentes en mayor o menor grado.

El calor que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de transformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es la transferencia de parte de dicha energía interna (energía térmica) de un sistema a otro, con la condición de que estén a diferente temperatura. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Conducción: hace referencia a la transferencia intermolecular, o sea de moléculas a moléculas y se da en sólidos, líquidos y gases. Conducción: en gases y líquidos se debe al movimiento intermolecular en sólido a la vibración de molecular. Ley de conducción ley fourier Q=-KAdt/dx Indica que el calor conducido enana dirección es proporcional al gradiente de temperatura en una dirección específica. Q = -kAdt/dx

-KA(T2 – T1)/x

K cuando es grande los elementos altamente conductibles metales, vidrios K cuando es menor para elementos pobres en conducción por ejemplo madera, agua. Convección es la transferencia de un sólido y un gas o líquido en movimiento Convección forzada se forza la circulación del aire por medio de equipos mecánicos Convención natural se hace circular agua de forma natural Ley de enfriamiento de Newton Q=hA( Ts – Tf ) Q= tasa de flujo de calor h= coeficiente de transferencia de calor por convección A = área en la cual ocurre la transferencia de calor Ts= Temperatura del sólido Tf= Temperatura fluido El coeficiente de transferencia de calor convección se habla experimentalmente y es producto de la geometría del cuerpo o área de transferencia del fluido Radiación es la energía emitida por ondas electromagnéticas o fotón sol, foco, etc. No se requiere la presencia de un medio, y no se disminuye o obtener en el vacio, es la formar como se trasmite la luz del sol, a la tierra. La radiación térmica es importante en los estudios de transferencia de calor porque es la cantidad de calor emitida por los cuerpos debido a su temperatura. Q = σATs 4 Ley de Stefan Boltzman Donde σ constante de Stefan Bolztman = 5,67X10-8 w/m2k4 Ts = temperatura de la superficie El cuerpo que emite radiación a la tasa máxima es llamado cuerpo negro Qend = εσATs 4

Donde ξ es la emisividad suele estar entre 0 1 es la cantidad que emite un cuerpo para los cuerpos negros ξ = 1.

La absorbancia α suele estar entre los valor de 0 1 y es la cantidad que recibe o absorbe un cuerpos. Qabs = αQinc

El calor de radiación puede ser calculado por la siguiente relación Q = εσA(Ts 4 − Talrededores 4 )

Ejercicio Considere a una persona que se encuentra en un cuarto a 20C, determine la transferencia de calor total desde esta persona con los alrededores, si el área expuesta es de A= 1,6m2, y temperatura de T= 34C con un coeficiente de calor por convección de h= 6w/m2k, y una constante de emisividad de ξ = 0,95. R/ Qtotal = Qrad + Qconv+Qcond EL TRABAJO En mecánica, el trabajo efectuado por una fuerza aplicada sobre una partícula durante un cierto desplazamiento se define como la integral del producto escalar del vector fuerza por el vector desplazamiento. El trabajo es una magnitud física escalar, y se representa con la letra (del inglés Work)

En termodinámica el trabajo que se realiza cuando un gas se expande o se comprime ejerciendo una presión desde un volumen A hasta otro volumen B viene dado por

El trabajo es, en general, dependiente de la trayectoria y, por lo tanto, no constituye una variable de estado. La unidad básica de trabajo en el Sistema Internacional es newton × metro y se denomina joule o julio, y es la misma unidad que mide la energía. Por eso se entiende que la energía es la capacidad para realizar un trabajo o que el trabajo provoca una variación de energía. Criterio de signos termodinámico El criterio de signos que se suele utilizar en termodinámica para evaluar los intercambios entre un sistema y el entorno de energía en forma de calor y trabajo es el siguiente según la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry): • •

Positivo para el trabajo cedido por el sistema y el calor entregado al sistema. Negativo para el trabajo entregado al sistema y el calor cedido por el sistema.

De este modo el trabajo se define como una transferencia de energía que puede expresarse según la siguiente ecuación en un proceso reversible.

Por ejemplo, en una expansión isobárica, el volumen final VB es mayor que el volumen inicial VA, luego y el sistema realiza un trabajo sobre su entorno, cediendo trabajo para pasar el estado inicial A al estado final B, luego WAB > 0.