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• Xavier J. López

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TERMODINÁMICA BASICA TEMA I. CONCEPTOS BASICOS

TERMODINÁMICA La termodinámica es la ciencia que estudia la relación entre un sistema y su entorno, la cual permite transformar la materia y obtener nuevos productos necesarios para la vida del ser humano. Aplicar los fundamentos de esta ciencia es comprender cómo cambia el estado de la materia para dar paso a la evolución en el tiempo, es entender cómo el contenido energético de la materia es posible extraerlo para utilizarlo con una finalidad. Comprender la termodinámica es definir los sistemas y sus alrededores, es analizar las interacciones entre sistemaalrededor, es identificar los estados energéticos mediante la evaluación de propiedades y la aceptación de la existencia de leyes de comportamientos que se convierte en las reglas de juego para cualquier transformación que se desee implementar. Se podría convertir a la termodinámica como la ciencia paradigmática para entender el comportamiento de la naturaleza. SISTEMAS TERMODINÁMICOS El sistema es una colección de materia o región en el espacio sobre el cual se enfoca la atención para su estudio y análisis. Se define alrededores como aquella porción de materia o región del espacio que reside fuera del sistema seleccionado. La superficie que separa el sistema de sus alrededores se denomina frontera del sistema y a través de ésta es que se realiza la transferencia de calor, trabajo y materia. También, los flujos de materia o corrientes pueden cruzar sus límites o fronteras. Un sistema aislado es aquel donde no hay ninguna influencia del exterior (la transferencia de trabajo y calor es cero). El sistema en el cual no hay flujo de masa a través de las fronteras se llama sistema cerrado o masa de control (MC), en tanto que el sistema en el cual hay masa que atraviesa las fronteras, se llama sistema abierto o volumen de control (VC). En ambos sistemas, la energía puede transferirse a través de las fronteras en forma de calor

y/o

trabajo.

I. Prigogine et al. Escribió en su libro “Modern Thermodynamic”: “La descripción termodinámica de los procesos de la naturaleza usualmente comienza dividiendo el mundo en un sistema y su exterior (ambiente), el cual es el resto del mundo”. De esta manera, un sistema es una parte del mundo en el cual está encerrado por sus fronteras para separarlo

de

su

exterior.

Es muy difícil definir el ancho de las fronteras del sistema y saber si las fronteras tienen también las mismas propiedades del sistema o del ambiente que rodea el sistema. Por lo tanto, se tomará al límite del sistema como una separación virtual entre ambas partes, el cual no interfiere en el análisis. A manera de resumen se identifican tres tipos de sistemas:

•

Sistemas Aislados.

Los cuales no pueden intercambiar ni energía ni materia con el entorno. Sin embargo, cada parte de ésta clase de sistema se constituye en un subsistema rodeado por las partes restantes y por lo tanto, se darán los intercambios de materia y energía para que cuando el sistema alcance el equilibrio, todas las partes del sistema serán indistinguibles. Es difícil hallar un ejemplo de un sistema aislado, pero se podría mencionar el universo único como el ING. MARISELA CHINEA ING. HERELYS JIMENEZ ING. NEILUI PELAYO

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gran ejemplo de un verdadero sistema aislado. Otro ejemplo, corresponde a un termo con paredes bien aisladas usado para conservar sustancias calientes o frías.

•

Sistemas Cerrados.

Los cuales intercambian energía con su exterior pero no-materia. Los principales ejemplos de sistemas de esta naturaleza corresponden al caso de cilindro–pistón, tanque cerrado con agua u otra especie, una olla a presión antes de que la presión supere la establecida con la válvula de alivio.

•

Sistemas Abiertos.

Los cuales intercambian energía y materia con el exterior. La gran mayoría de los ejemplos en la naturaleza corresponden a sistemas abiertos: seres vivos, una caldera para producir vapor, un horno, un olla presión después de que la válvula de alivio se halla abierto para liberar presión, un intercambiador de calor, etc. Los sistemas abiertos y cerrados pueden mantenerse lejos del equilibrio cuando ellos reciben flujos de materia y energía en caso de sistemas abiertos y solo energía en los cerrados, debido a diferencias de temperatura, presión, concentración, etc, entre el sistema y el entorno.

PROPIEDADES TERMODINÁMICAS Con base en los planteamientos de Adrián Bejan se puede decir que las propiedades termodinámicas son el conjunto de entidades que describen la condición del sistema en un punto particular en el tiempo. Las propiedades son independientes de la manera en que el sistema alcanza una condición dada y sólo se pueden definir en condiciones de equilibrio, en otras palabras y nuevamente de acuerdo con Bejan: “Propiedades termodinámicas son solo aquellas cantidades cuyos valores numéricos no dependen de la historia del sistema, en la medida que el sistema evoluciona entre dos condiciones diferentes, sino que dependen de la condición instantánea durante las cuales ellas son medidas”. La presión y la temperatura cumplen dicha exigencia, en consecuencia ellas son propiedades. No obstante, la transferencia de calor, la transferencia de trabajo, la transferencia de masa, entropía, la generación de entropía, la pérdida de trabajo disponible, la pérdida de exergía, etc., son ejemplos de cantidades que no son propiedades termodinámicas. Las propiedades se clasifican en dos categorías:

•

Propiedades Extensivas.

Las cuales son magnitudes que dependen de la cantidad de materia y de la extensión del sistema como la masa, el volumen total, la entropía, la energía interna, la entalpía, la exergía, etc. ING. MARISELA CHINEA ING. HERELYS JIMENEZ ING. NEILUI PELAYO

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•

Propiedades Intensivas.

Las cuales son magnitudes cuyo valor son independientes de la cantidad de materia del sistema como la presión, la temperatura, la densidad, el volumen específico. Adicionalmente, si el sistema esta en equilibrio termodinámico, el valor de una propiedad intensiva en cada punto del sistema es igual. Una propiedad extensiva se puede convertir en propiedad intensiva si se divide el valor de la propiedad extensiva por la masa del sistema. Las propiedades también se pueden clasificar de acuerdo con su naturaleza interna:

•

Cantidad Extrínseca.

Es aquella cuyo valor es independiente de la naturaleza del medio (o sustancia), que se encuentra dentro de los límites del sistema. Por ejemplo: velocidad lineal, velocidad angular, posición del sistema, tomado como un todo o como un sólido rígido o como una corriente de un fluido.

•

Cantidad Intrínseca.

Es aquella cuyo valor depende del medio que constituye el sistema. Por ejemplo: presión, densidad, temperatura, movimiento y posición de las partículas constitutivas del sistema. VOLUMEN ESPECÍFICO (ν) Y DENSIDAD (ρ) El volumen específico se define como la relación entre el volumen de un sistema y su masa. Dado que la densidad se define como la relación de la masa sobre su volumen, ella será el inverso del volumen específico.

PRESIÓN (P) La presión se define como la interacción resultante por unidad de área del número de las partículas moleculares en contra de las paredes que conforman el contorno de un sistema. La presión es una medida de la frecuencia de las veces que una partícula pasa por un mismo punto.

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La presión en un punto de un fluido en reposo solo depende de la profundidad del punto y es igual en todas las direcciones.

Como se ilustra en la figura a: Donde: ρ: Densidad del fluido Patm: Presión atmosférica P: Presión en el punto P A: Área transversal del tanque

Con este concepto de presión de un fluido en reposo, se pueden construir los manómetros que pueden medir la presión de un gas en un recipiente o de fluido en movimiento en una tubería, los cuales han incrementado su presión como consecuencia de un aporte energético (transferencia de calor, trabajo aportado en una bomba o compresor, etc.).

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Tal como se puede observar en la figura c, los manómetros solo pueden registrar de manera directa la diferencia en la presión absoluta y la atmosférica. Una diferencia negativa indica que la presión absoluta es menor que la atmosférica y estaríamos midiendo una presión de vacío en un equipo que llamaríamos vacúometro. Estos niveles de presión pueden ser observados en la figura d.

La presión se expresa en: mHg, mm Hg, pulg Hg, Pascal, Atmósfera, Bar, kgf/cm², lbf/cm², MPa, kPa, PSI. Para no olvidar: 1 m Hg (metro de mercurio) = 13.6 kg/m2 1 atm (atmósfera) = 1.033 kg/cm2

TEMPERATURA (T) La temperatura se define como un potencial que provoca un flujo de calor, el cual está asociado con el grado de vibración molecular y la energía cinética de átomos, moléculas y electrones. La temperatura es una medida del movimiento molecular de las partículas que conforman un sistema. Para poder medir o definir la temperatura, se debe considerar la siguiente observación: Si los sistemas B y C están separadamente en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces, ellos entran en equilibrio térmico. Ésta observación fue formulada por Maxwell y posteriormente exaltada como la ley cero de la termodinámica por Fowler. Como ley permite definir una propiedad termodinámica denominada temperatura, ya que se podrá decir que dos sistemas estarán en equilibrio termodinámico cuando ambos poseen la misma temperatura. La temperatura de un sistema se mide al poner éste en contacto con un sistema especial hasta que alcancen el ING. MARISELA CHINEA ING. HERELYS JIMENEZ ING. NEILUI PELAYO

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equilibrio termodinámico. El sistema especial se denomina termómetro y deberá ser lo más pequeño posible para despreciar efectos de transferencia de calor que conduzcan a otro equilibrio termodinámico diferente del sistema a medir. La temperatura se puede medir a partir de sus efectos en el sistema especial, los cuales pueden ser: cambios de volumen debido a la dilatación (termómetros de vidrio o de mercurio), cambios en una resistencia eléctrica o generación de potencial eléctrico en dos materiales diferentes. En la definición de las escalas de temperatura debemos recordar a Gabriel Daniel Fahrenheit (1686 - 1736) instrumentista alemán, el cual inventó el termómetro de mercurio en vidrio y asignó el número cero (0) al nivel de mercurio correspondiente al equilibrio termodinámico de un sistema conformado por hielo y agua con sal y el número 96, al nivel correspondiente a la temperatura del cuerpo humano. A partir de estos dos valores él mismo encontró que el punto de congelamiento y ebullición del agua sobre el nivel del mar son de 32°F y 212°F respectivamente. También hay que recordar a René Antoine Ferchault de Réaumur (1683 - 1757), el cual inventó el termómetro de alcohol y la escala Réaumur donde el punto de congelamiento del agua es cero grados y el punto de ebullición se le asignó

80°C.

En este sentido tampoco se puede olvidar a Anders Celsius (1701 - 1744) el cual propuso la escala Celsius en 1742 donde el punto de congelamiento y ebullición del agua a presión atmosférica es de 0°C y 100°C respectivamente. Con el objeto de definir una escala absoluta de temperatura se definieron la escala Rankine y la escala Kelvin, donde los puntos de congelamiento del agua a presión de una atmósfera son 459,67R y 273,15K. A manera de resumen se tiene: T (R) = (9/5) x T (K) T (K) = T (°C) + 273,15 T (R) = T (°F) + 459,67 T (°F) = (9/5) x T (°C) + 32 T (°C) = (5/9) x (T (°F) - 32) ENERGÍA INTERNA (u) La energía interna está asociada con el movimiento y con la posición de las partículas, de los átomos y de las moléculas; también es una energía asociada con la estructura del átomo y con los diferentes enlaces entre partículas, átomos y moléculas. La energía interna es la medida del contenido energético de la materia tal como es y sus unidades de energía interna son KiloJoule (kJ), Kilocalorías (kcal), BTU. Entre tanto las unidades de la energía interna específica son kJ/kg, kcal/kg, BTU/lb. ING. MARISELA CHINEA ING. HERELYS JIMENEZ ING. NEILUI PELAYO

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ENTALPÍA (H) Es la energía interna que posee un flujo de materia más el trabajo de flujo que impulsa el movimiento de dicho flujo. El cambio de entalpía con respecto a un nivel de referencia mide el contenido energético de una corriente de materia que fluye a través de un ducto.

Es importante recordar que se usa la letra minúscula para indicar una propiedad

específica o por unidad de masa. Las unidades de entalpía son KiloJoule (kJ), Kilocalorías (kcal), BTU. Entre tanto las unidades de la entalpía específica son kJ/Kg, kcal/kg, BTU/lb.

CALOR ESPECÍFICO (Cp, Cv) Es una medida de la cantidad de la energía que puede ser almacenada en la materia para cada valor de su temperatura. También es la cantidad de calor por unidad de masa que se requiere transferir para producir un cambio unitario de temperatura de una sustancia a volumen o a presión constante.

La capacidad calórica a volumen constante Cv se define como la variación de la energía interna con respecto a la temperatura,

manteniéndose

el

volumen

constante.

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En un sentido más práctico, considerando valores de la capacidad calórica constante, se usa la siguiente expresión

para

valorar

el

contenido

energético

de

la

materia

La capacidad calórica a presión constante CP se define como la variación de la entalpía con respecto a la temperatura manteniendo

la

presión

constante

así:

En un sentido más práctico, considerando valores de la capacidad calórica constante, se usa la siguiente expresión para

valorar

el

contenido

energético

de

la

materia

ENTROPÍA (S) La entropía es la medida del grado de desorden de un sistema como consecuencia de la diversificación de los estados energéticos presentes en la materia. En otras palabras, la entropía es la medida de la distribución de estos estados energéticos.

Para ilustrar este concepto se presenta aquí la figura b. Donde se puede observar dos escaleras con tres peldaños. ING. MARISELA CHINEA ING. HERELYS JIMENEZ ING. NEILUI PELAYO

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Cada peldaño significa una unidad de energía desde abajo hacia arriba. O sea que la bola más alta de la figura a, posee tres unidades de energía, las que siguen hacia abajo poseen dos unidades de energía cada una y la siguiente posee una unidad de energía cada una, para un total de diez unidades de energía. Entre tanto, en la figura b, existen dos bolas con tres unidades de energía y cuatro con una unidad de energía cada una, para un total de diez unidades de energía. Como pueden observar, se presentan dos distribuciones diferentes (dos valores diferentes de la

entropía)

con

la

misma

cantidad

de

energía.

La entropía puede evaluarse desde el punto de vista microscópico y desde el macroscópico. En el nivel microscópico, la evaluación de la entropía se hace de acuerdo con la definición de Boltzman (1900), la cual considera a la entropía como una función de las probabilidades de que un grupo d partículas estén en un estado energético dado. Boltzman, define una propiedad que mide la distribución de los microestados en cada macroestado, con la condición que debe ser

una

cantidad

aditiva.

Donde wi es el número de microestados, es sinónimo de probabilidad termodinámica, la probabilidad total del sistema (W), k es la Constante de Bolztman, ni el número partículas posibles en cada macroestado, el cual puede coincidir

con

el

número

de

microestados

(ni=wi)

En el nivel macroscópico, la evaluación de la entropía se hace de acuerdo con la definición introducida por Rudolf Clausius (1822-1888), quien en 1865 define la entropía como una nueva cantidad física tan universal y fundamental como la energía, del griego que significa transformación, cambio o evolución y la relaciona con el calor transferido al ING. MARISELA CHINEA ING. HERELYS JIMENEZ ING. NEILUI PELAYO

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sistema: el cambio de entropía entre un estado A a otro B en el sistema es igual al calor trasferido sobre la temperatura

de

la

fuente

de

energía

de

alta

temperatura:

Observando las dos expresiones para la entropía, se concluye que el calor esta relacionado con la distribución de los estados energéticos y por lo tanto, su valor dependen de una variedad de posibilidades y por tal motivo, al calor se le clasifica como energía de baja calidad. ESTADO Es la condición del sistema descrito por sus propiedades. Se dice que ha ocurrido un cambio de estado cuando cambia alguna propiedad del sistema, v.g., si un sistema a 80°C se enfría para mantenerse en 20°C, se dice que es estado inicial del sistema caracterizado por poseer una temperatura de 20°C cambio a otro estado (ver figura a)

Para especificar el estado de un sistema no es necesario conocer el valor de todas sus propiedades, ya que el valor de algunas de ellas depende del valor de otras. Para el caso de un sistema constituido por una sustancia pura (v.g. agua), solo se necesitan dos propiedades independientes (v.g. temperatura y presión, temperatura y entalpía, presión y volumen específico, temperatura y entropía, etc.) para que el estado quede completamente especificado, de acuerdo con el Postulado de Estado y la Regla de Fase de Gibbs.

•

Ecuación de Estado.

Se usa una ecuación funcional en termodinámica por relacionar propiedades pertinentes de un sistema denominado ecuación de estado. Generalmente, se utiliza una ecuación que relaciona a la presión (P) con otras propiedades fundamentales

de

fácil

medición

como

la

masa

(m),

volumen

(V)

y

la

temperatura

(T)

asi:

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La ecuación de estado más familiar es la ecuación de estado para gas ideal:

Donde R es la constante para cada gas y es igual la constante universal de los gases

sobre la masa molecular

del gas (M):

Donde

La ecuación de gas ideal es válida para temperaturas superiores dos veces a la temperatura crítica y también en la zona donde la presión es inferior 0.1Pc tal como se observa en la figura b. Si el gas se encuentra a alta presión o cercano a la zona de saturación, su comportamiento no es ideal y se desvía considerablemente de este estado. En estas circunstancias se utiliza un factor de compresibilidad z para lograr una ecuación de estado para gas real:

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El factor de compresibilidad z es función de la presión y la temperatura y es una medida de cuanto se está alejado de la idealidad. El punto crítico (Pc) se refiere al valor de la presión y temperatura en donde el volumen específico (volumen/masa) del líquido saturado y del vapor saturado son iguales. Estados por encima del punto crítico se denomina Estado supercrítico y no es clara la definición del comportamiento de la materia como un líquido o como un gas. Otro punto de interés es el punto triple (PT) denominado así por coexistir las tres fases a un valor de la presión y la temperatura así como se ve en el diagrama de presión versus tiempo en las figuras c y d. La región de saturación se refiere a la zona de interfase entre una fase y la otra. Se habla de la línea líquido saturado para identificar la separación entre líquido comprimido y la mezcla líquido más vapor; también, se conoce la línea de vapor saturado para indicar la interfase entre la mezcla vapor y líquido con la zona de vapor en la figura.

Situación análoga se presentaría en la zona de sólido y líquido, generándose líneas de sólido saturado y líquido saturado. Estas diferenciaciones de zonas también se puede observar en otros diagramas como las de temperatura versus entropía, entalpía versus presión, etc. 1.3.2.9 FASE De acuerdo con Adrián Bejan, la fase de un sistema es la colección o el conjunto de todas las partes de un sistema que tienen el mismo estado y el mismo valor de las propiedades extensivas por unidad de masa. Como ejemplo se puede mencionar la fase líquida, vapor, sólida, perlita, austenita, etc. Es importante resaltar que un sistema puede

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estar constituido por una especie en diferentes fases como por ejemplo un tanque cerrado con agua líquida y vapor; también por varias especies en varias fases.

ENERGÍA De acuerdo con Van Wylen et al. , la energía es un concepto fundamental como la masa, muy difícil de definir. Sin embargo, la energía se ha definido como la capacidad de producir un efecto. Con la utilización de la energía presenta en la naturaleza, se faculta la posibilidad de mover cosas, calentar sustancias, transformar recursos naturales y la misma energía en otras formas. La energía puede manifestarse de varias formas, tales como: energía cinética o potencial del sistema; energía asociada con el movimiento y posición de las partículas, átomos y moléculas; energía asociada con la estructura del átomo; energía asociada a los diferentes enlaces entre partículas, átomos y moléculas; energía química como en un sistema galvánico; energía eléctrica como la que posee un condensador cargado; energía magnética como la que posee una bobina, entre otras. La energía puede ser almacenada en el interior del sistema en diferentes formas, las cuales se manifiesta como Energía Solar, Energía Eólica, Energía Mareomotriz, Energía de la Biomasa, Energía de los Combustibles, Energía del Agua, Energía del Núcleo Atómico, Energía del Interior de la Tierra. En termodinámica se reúnen los tipos de energía intrínsecas (dependientes de la sustancia), como lo son el movimiento de traslación de átomos, moléculas y otras partículas, y las diferentes interacciones entre éstas ( interacciones electromagnéticas, fuertes y débiles, enlaces, etc. ), en una sola propiedad llamada energía interna, indicada con el símbolo U asociado con el estado termodinámico de dicho sistema.

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Además de la energía interna, el sistema tomado como un todo, o como un sólido rígido, o como una corriente de un fluido, puede poseer energía cinética y energía potencial, asociadas con el sistema de referencia escogido, especificados por los parámetros de masa, velocidad y elevación. Por tanto se puede escribir:

Recordando que:

Donde, Ei: Otras formas de energía que pueden ser almacenada m: Masa del sistema v: Velocidad z: Elevación con respecto al nivel de referencia

Según estas definiciones se tiene que el cambio de energía entre los estados 1 y 2 de un sistema está representado por la siguiente ecuación:

Dividiendo

por

la

masa

se

obtiene

la

energía

específica:

Las unidades de energía son Kilojoule (kJ), Kilocalorías (kcal), BTU. Entre tanto las unidades de la energía específica son kJ/kg, kcal/kg, BTU/lb. ING. MARISELA CHINEA ING. HERELYS JIMENEZ ING. NEILUI PELAYO

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CALOR El flujo de calor debe entenderse como la transmisión de energía en virtud de una diferencia de temperatura entre dos puntos. El calor se transmite del sistema de mayor temperatura al de temperatura menor. Otro aspecto de esta definición de calor es que un cuerpo nunca contiene calor; por tanto, el calor es un fenómeno de transporte de energía. Consideremos como un sistema un bloque caliente de cobre y el agua fría de una cubeta como otro sistema, ninguno de los dos sistemas contiene calor inicialmente (pero sí energía). Cuando el bloque de cobre se coloca en el agua y los dos están en contacto, el calor se transmite del cobre al agua, hasta que se establece el equilibrio térmico. Esta transmisión de energía se puede realizar de tres formas: conducción, convección y radiación, como se puede observar en la figura a.

Como nota final referente al concepto de calor, se puede decir él es una energía desordenada y se presenta en la naturaleza asociada al movimiento aleatorio de las partículas, siendo algunas: Energía molecular de traslación, Energía molecular de rotación, Energía molecular de vibración, Energía molecular de enlace. Existe otro tipo de energía desordenada de carácter más microscópico como la energía disipada por la fricción entre dos materiales puestos en contacto.

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A estos tipos de energía se les dice que son de baja calidad puesto que:

•

La eficacia de la conversión energética depende de las propiedades termodinámicas del sistema y del ambiente.

•

Se generan cambios entrópicos en el sistema afectado y en el ambiente.

•

Su análisis no sólo basta con la primera ley sino que necesita ser analizado bajo la segunda ley de la termodinámica. La pregunta en este punto es: ¿Cómo se mide la calidad de una forma de energía? La respuesta es medir el

trabajo útil máximo que puede obtenerse a partir de una cantidad dada de energía de una cierta forma y referida a un ambiente determinado. La propiedad que cuantifica la energía útil o calidad se denomina Exergía, también llamada disponibilidad. El calor y el trabajo son los únicos mecanismos posibles de intercambio de energía de un sistema con el medio externo. Las unidades del calor son las mismas de la energía, se expresa en KiloJoule (kJ), Kilocalorías (kcal), BTU. Entre tanto las unidades de la energía específica son kJ/kg, kcal/kg, BTU/lb y las de flujo calórico son kJ/s, kW, Vatios, kcal/h, BTU/h. TRABAJO Se define el trabajo mediante la siguiente hipótesis: "Un sistema ejecuta trabajo si el único efecto en el medio exterior (cualquier cosa externa al sistema) pudiese ser el levantamiento de un peso". El trabajo es una forma de energía que se transfiere desde el sistema hacia los alrededores o viceversa por medio de tres maneras:

•

Modificación de los límites del sistema, en este sentido, toda la superficie que cubre el sistema o parte de ella se mueve provocando el desplazamiento de objetos, rotación de ejes, traduciendo estos movimientos en la elevación de un peso. ING. MARISELA CHINEA ING. HERELYS JIMENEZ ING. NEILUI PELAYO

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•

Movimiento de toda la superficie que cubre el sistema o parte de ella, provocando el desplazamiento de objetos, rotación de ejes y por último dicho movimiento se traduce dicho elevación de un peso.

•

Movimiento de electrones que provocan un flujo de corriente eléctrica requerida en los motores eléctricos.

De cualquier manera que se obtenga el trabajo, se puede calcular su magnitud mediante el producto de la fuerza ejercida por o sobre el sistema y el desplazamiento que se obtiene como consecuencia de la aplicación de la fuerza:

Donde: W : Trabajo F : Fuerza ejercida por el sistema. dx : Puede ser un desplazamiento físico infinitesimal. En términos generales, la fuerza puede ser denominada de manera genérica como fuerza generalizada para incluir aquella que se deben a la presión, a la tensión superficial, al potencial eléctrico, al torque, etc. De igual manera se tiene una denominación al desplazamiento ocasionado por la fuerza generalizada, el cual se designará por desplazamiento generalizado, para incluir el cambio de volumen, de área superficial, de carga eléctrica, de ángulo de rotación, etc. El trabajo es una forma de energía de alta calidad puesto que no depende del medio exterior para que se dé. Su definición está basada en la acción multiplicada por el desplazamiento y su efecto fuera de los límites del sistema, es el poder levantar un peso o sea vencer la gravedad. Se puede decir que una vez haya cesado la acción, el trabajo se hace cero, y si con la acción se elevó un peso, se podrá devolver el trabajo cuando el peso vuelva a bajar la misma distancia que subió. Este carácter reversible es otra razón para pensar que el trabajo es de alta calidad energética. En este sentido, vale la pena detenerse y pensar que toda forma de energía que venza la gravedad es de máximo orden (máxima calidad), en

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consecuencia la antigravedad sería el máximo desorden y haría que el mundo se desplomaría por una expansión ilimitada. Se define entonces trabajo, como la energía transferida a través de las fronteras de un sistema en forma organizada y cuyo uso exclusivo será la elevación de un peso. Matemáticamente, trabajo se puede expresar así:

Donde, W2 : Trabajo

1

Fk : Fuerza generalizada. dx: Puede ser un desplazamiento físico o un cambio de una propiedad . Si F es externa al sistema y aplicado sobre éste, implica que se ejerce un trabajo extrínseco (independiente de la sustancia) sobre dicho sistema y por convención se considera un trabajo con signo negativo (Trabajo hecho sobre el sistema como se observa en la figura). Al contrario si F es de carácter interno se realiza un trabajo intrínseco (dependiente de la sustancia) por el sistema y por convención se considera un trabajo con signo positivo (Trabajo hecho por el sistema ver figura b).

Existen diferentes tipos de Trabajos, entre los que se encuentran: Trabajo de expansión y compresión, trabajo elástico o de resorte, trabajo sobre una carga eléctrica, trabajo al cambiar un área superficial, trabajo de torsión, trabajo de polarización o magnetismo. ING. MARISELA CHINEA ING. HERELYS JIMENEZ ING. NEILUI PELAYO

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Las unidades de trabajo son las mismas de las de energía. Entre tanto, las de potencia (trabajo por unidad de tiempo) son HP, kwh, kcal/h, BTU/h. El trabajo es una energía ordenada y se presenta en la naturaleza como aquella energía almacenada en un campo gravitatorio, magnético, eléctrico, en un resorte, etc. También se presenta en forma de energía cinética no aleatoria como la almacenada en un volante en rotación, o en una corriente no turbulenta de un fluido ideal (ver figura c).

A estos tipos de energía se les dice que son de alta calidad puesto que:

•

Pueden transformarse totalmente en otra forma ordenada, si se realiza el proceso en forma reversible.

•

El intercambio de energía ordenada entre dos sistemas se produce en forma de trabajo.

•

El intercambio de energía ordenada en procesos reversibles se produce sin intercambio de entropía entre los sistemas afectados.

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