Termodinamica Trabajos

“Instituto Politécnico Nacional”

Escuela Superior De Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Unidad Acapotalco !ESIME"

Materia# $E%M&DINAMI'A I

No()re del pro*esor: Juan Carlos Suarez Cuevas

Integrantes# Vargas Barranco Alfredo Rosas Rodríguez Jorge Joel Ramirez Cabrera Gabriel Alfonso

Especialidad# Ingeniería mecánica. +rupo#,M-

PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

Matemáticamente, el Primer Principio de la Termodinámica  determina cómo afectan los intercambios de calor, Q, y trabajo, W, a la energía global de un sistema. Es por este motivo que la transferencia de energía en forma de calor y la transferencia de energía en forma de trabajo las emos tratado en dos apartados previos de teoría.  !sí, la ecuación matemática matemática del "rimer "rincipio es#

. $ es una función de estado que introducimos por primera ve% en este tema y que recibe el nombre nombre de energí energía a intern interna a del sistema. sistema. !sí, !sí, se puede puede enunci enunciar ar la Primera Ley de la Termodinámica como#

“La variación de energía interna de un sistema es igual a la suma del  calor y el trabajo que intercambia con su entorno.”  "ero& 'qué es la energía interna de un sistema ( Es la energía asociada a la estructura interna del sistema, es decir, la suma de todas las energías contenidas en el mismo, como la energía cin)tica de sus partículas individuales *n+cleos, átomos, mol)culas& que pueden vibrar, rotar o incluso efectuar movimientos de traslación, como los gases y la energía potencial de )stas, esencialmente energía potencial el)ctrica debida a atracciones n+cleoelectrón, repulsiones n+cleo-n+cleo y repulsiones electrón-electrón. El valo valorr absol absolut uto o de la ener energí gía a inte intern rna a de un sist sistem ema, a, $, se desc descon onoc oce e por por su gran gran complejidad, pero sí que podemos medir o determinar su variación, $, cuando pasa de un estado inicial a un estado final, ya que, como emos dico, la energía interna es una función de estado y sólo depende de dicos estados inicial y final#

En cuanto a la aplicación del Primer Principio de la Termodinámica a las reacciones químicas, que es lo que nos interesa en este caso, la variación de energía interna representa la diferencia de energía entre los productos y los reactivos, siendo Q y W la transferencia de calor como calor y como trabajo que acompa/an a dica reacción química. q uímica.

En concreto, en este curso vamos a aplicar el Primer Principio de la Termodinámica  a las reacciones químicas en dos casos particulares, cuando el volumen permanece constante, es decir, es un proceso isocoro, y cuando la presión permanece constante, es un proceso isobárico. Este +ltimo caso, la reacción química a presión constante, es de suma importancia, ya que de aquí surge el concepto de Entalpía, el cual se va a desarrollar con mucísima amplitud a lo largo del tema.

CALOR El calor *representado con la letra Q es la energía transferida de un sistema a otro *o de un sistema a sus alrededores debido en general a una diferencia de temperatura entre ellos. El calor que absorbe o cede un sistema termodinámico depende normalmente del tipo de transformación que a e0perimentado dico sistema. 1os o más cuerpos en contacto que se encuentran a distinta temperatura alcan%an, pasado un tiempo, el equilibrio t)rmico *misma temperatura. Este eco se conoce como "rincipio 2ero de la 3ermodinámica, y se ilustra en la siguiente figura.

$n aspecto del calor que conviene resaltar es que los cuerpos no almacenan calor  sino energía interna. El calor es por tanto la transferencia de parte de dica energía interna de un sistema a otro, con la condición de que ambos est)n a diferente temperatura. 4us unidades en el 4istema 5nternacional son los julios *6

7a e0presión que relaciona la cantidad de calor que intercambia una masa m de una cierta sustancia con la variación de temperatura t que e0perimenta es#

TRABAJO (FORMAS MECÁNICAS) 3rabajo Mecánico# Es el efecto producido por una fuer%a sobre el movimiento de un cuerpo, en estricto rigor una fuer%a produce trabajo cuando ocurre un despla%amiento en la misma dirección que act+a, entonces, si no ay despla%amiento 89 :!; 3 Es la energía puesta en  juego para reali%ar un movimiento o un despla%amiento. ?ormas mecánicas# @A7a energía mecánica involucra dos tipos de energía, seg+n el estado o condición en que se encuentre el cuerpo. Energía en movimiento# trabajo mecánico. Estas formas de energía son# Energía potencial# es la energía que tienen los cuerpos que están en reposo y depende de la posición del cuerpo en el espacio# a mayor altura, mayor será su energía potencial. "or ejemplo, una roca que está en la punta de un cerro posee energía potencial. 3ambi)n poseen esta forma de energía un macetero que está en el balcón de un edificio, un cuadro colgado en la pared, etc)tera. Energía cin)tica# es la que posee todo cuerpo en movimiento. "or ejemplo, cuando se lan%a una pelota, esta adquiere energía cin)tica. 3ambi)n poseen esta forma de energía una persona cuando corre, una cascada, un automóvil en marca, etc)tera. BA7a forma de energía asociada a las transformaciones de tipo mecánico se denomina energía mecánica y su transferencia de un cuerpo a otro recibe el nombre de trabajo. !mbos conceptos permiten estudiar el movimiento de los

cuerpos de forma más sencilla que usando t)rminos de fuer%a y constituyen, por  ello, elementos clave en la descripción de los sistemas físicos.

BALANCE DE ENERGÍA

:abitualmente se define la energía como la capacidad de la materia para producir trabajo, pudiendo adoptar distintas formas, todas ellas interconvertibles directa o indirectamente unas en otras. El balance de energía al igual que el balance de materia es una derivación matemática de la C7ey de la conservación de la energíaC *"rimera 7ey de 7a 3ermodinámica, es decir C7a energía no se crea ni se destruye, solo se transformaC. El balance de energía es un principio físico fundamental al igual que la conservación de masa, que es aplicado para determinar las cantidades de energía que es intercambiada y acumulada dentro de un sistema. 7a velocidad a la que el calor se transmiten depende directamente de dos variables# la diferencia de temperatura entre los cuerpos calientes y fríos y superficie disponible para el intercambio de calor. 3ambi)n influyen otros factores como la geometría y propiedades físicas del sistema y, si e0iste un fluido, las condiciones de flujo. 7os fluidos en bioprocesado necesitan calentarse o enfriarse. Ejemplos típicos de ellos son la eliminación de calor durante las operaciones de fermentación utili%ación utili%ando agua de refrigeración y el calentamiento del medio original a la temperatura de esterili%ación mediante vapor.

$no de los principales intereses del balance de energía es determinar la cantidad de energía que tiene un sistema, sin embargo esta no puede ser determinada, es decir no podemos conocer la energía absoluta en un momento determinado. En realidad lo que nos interesa es conocer los cambios en los niveles de energía que puede e0perimentar un sistema, para lo cual es necesario definir claramente la frontera entre el sistema o sus p artes y los alrededores o el entorno.

7os objetivos del balance de energía son# •

1eterminar la cantidad energía necesaria para un proceso.

•

1eterminar las temperaturas a las cuales el proceso es más eficiente.

•

1isminuir el desperdicio de energía.

•

1eterminar el tipo de materiales y equipos que mejor sean más eficientes.

•

4in embargo el objetivo principal es la estimación de costos de operación del proceso, ya que el gasto energ)tico es uno de los más importantes rubos durante la operación.

DEFII!I"E#

#I#TE

%$•

2ualquier masa de material o segmento de equipo especificados arbitrariamente y en el cual deseamos concentrar nuestra atención. $n sistema se define circundándolo con una frontera. 7a frontera del sistema no tiene que coincidir con las paredes de un recipiente. 3oda masa, equipos y energías e0ternas al sistema definido se designan como entorno. 4iempre debemos tra%ar  fronteras similares al resolver los problemas, pues este paso fija claramente el sistema y su entorno *:immelblau, @DD.

Tipos

@.

de

#istemas&

#istemas %biertos& son aquellos que intercambian materia y energía con el entorno a trav)s de las fronteras. Ej. 9lla con agua i rviendo.

B.

#istemas !errados& son aquellos que solo pueden intercambiar energía con el entorno, pero no materia. Ej. 3ermo.

F.

#istemas %islados& son aquellos en los que no se pueden intercambiar ni energía ni materia a trav)s de las fronteras. Ej. =omba !diabática.

•

P'"PIED%D

()ariable

o

Parámetro*+

$na característica de un material que se puede medir *presión, volumen o temperatura, masa, etc. o que se puede calcular, si no se mide directamente *ciertos tipos de energía, entalpía, energía interna, numero de moles, etc.. Estas propiedades pueden ser manipuladas o variar  indirectamente junto a otras, por lo cual tambi)n se les denomina variables. 7as propiedades de u n sistema dependen de su condición en un momento dado y no de lo que aya sucedido al sistema en el pasado. 7as propiedades pueden ser#

•

Propiedad E,tensiva+- Es aquella cuyo valor depende de la cantidad de material y es aditiva *volumen - masa. Es decir las propiedades e0tensivas se relacionan con la estructura

química e0terna> es decir, aquellas que podemos medir con mayor facilidad y que dependen de la cantidad y forma de la materia. "or ejemplo# peso, volumen, longitud, energía potencial, calor, etc)tera.

•

•

Propiedad intensiva+- Es aquella cuyo valor no es aditivo, y no varía con la cantidad de material. Estas tienen que ver más con la estructura química interna de la materia. Ejemplo# temperatura, punto de fusión, punto de ebullición, calor específico o concentración, índice de refracción, densidad, viscosidad, concentración, p: etc. 7as propiedades intensivas pueden servir  para identificar y caracteri%ar una sustancia pura, es decir, aquella que está compuesta por un solo tipo de mol)cula , como, por ejemplo, el agua, que está formada solo por mol)culas de agua *:B9, o el a%+car, que solo la conforman mol)culas de sacarosa *2@B:BB9@@.

E#T%D" El conjunto dado de propiedades de los materiales en un momento dado. El estado de un sistema no depende de la forma o la configuración del sistema sino sólo de sus propiedades intensivas como la temperatura, la presión y la composición. El estado suele ser una función de F variables independientes# E G f * ",3,H "# "resión 3# 3emperatura H# 2oncentración 1os propiedades son independientes una de la otra si e0iste por lo menos una variación de estado del sistema en la que una propiedad vari) y la otra se mantenga fija. !unque siempre abrá ligeras modificaciones al cambiar de estado, pero su variación suele considerarse insignificante.

•

)ariables de estado# son propiedades de los materiales que son muy difícil de medir y se considera como la variación neta de la propiedad entre dos estados diferentes *de aí su nombre, sin importar que camino se tomó para lle gar a ese estado. Ej. Entalpia, Entropía y Energía 5nterna.

•

)ariables de trayectoria& son propiedades que varían de acuerdo a la trayectoria es decir  al camino que se tomó para llegar de un estado a otro. Ej. 2alor y 3rabajo.

F%#E

•

Es el estado de agregación en el que se encuentra la materia, es decir a la cercanía en las que se encuentran sus mol)culas. Este depende principalmente de la 3emperatura y "resión a la que un compuesto químico está sometida. 7as principales fases son#

•

7íquido

•

Iaseoso

•

4ólido

EE'./% 7a energía *en la ?ísica es la capacidad que tiene un sistema de reali%ar un trabajo o una transformación. ; en mucos casos depende del estado de un sistema. En la termodinámica y por  ende en el balance de energía se considera los siguientes tipos de energía# 35"94

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