Energia

Termodinámica I
IMC-800
Ing. Manuel Garcia
manuelgarcia3@docente.utesa.edu
Unidad II. El principio de conservación de energía expresado
por la primera ley de la termodinámica es un
ENERGIA, concepto que vemos todos los días en el mundo
real, y siempre se hace hincapié en que durante un
TRANSFERENCIA proceso, la energía no se crea ni se destruye, sólo
cambia de una forma a otra.
DE ENERGÍA
El término energía es fuertemente polisémico y, según el contexto
donde se use, adquiere significados diversos. Así, se habla que una
persona es muy «enérgica», que alguien o algo tiene «energía
positiva» o «negativa», etc.
En el terreno de las ciencias físicas y naturales, así como en el de la

tecnología, es corriente hablar de la «crisis energética», de
«alimentos energéticos», etc. La realidad es que la energía es un
fenómeno misterioso, del cual conocemos y comprendemos sus
efectos, pero no su naturaleza originaria.
Energía
En el campo de la física, se define la energía como una «propiedad» de
los cuerpos o sistemas materiales en virtud de la cual estos pueden
transformarse (a sí mismos), modificando su estado o situación, así como
actuar sobre otros cuerpos, originando transformaciones en ellos.
La energía indica la capacidad de un cuerpo o sistema

para producir transformaciones, con independencia de
que éstas se produzcan o no.
Imagine una habitación con puertas y ventanas
cerradas herméticamente y con paredes aisladas de
modo que la pérdida o ganancia de calor a través de
ellas es insignificante. En el centro de la habitación
se coloca un refrigerador conectado a un contacto y
con la puerta abierta. Incluso se podría usar un
pequeño ventilador que haga circular el aire para
mantener la temperatura uniforme. Ahora bien,
¿qué cree que sucederá́ con la temperatura
promedio del aire? ¿Aumentará o disminuirá́ ?
¿Permanecerá́ constante?

La energía puede existir en varias formas: térmica,
mecánica, cinética, potencial, eléctrica,
magnética, química y nuclear, cuya suma conforma
la energía total E de un sistema, la cual se denota
por unidad de masa mediante e y se expresa como:
Formas de
energía
La termodinámica no proporciona información
acerca del valor absoluto de la energía total, solo
trata con el cambio de esta, que es lo importante
en los problemas de ingeniería. Así́, a la energía
total de un sistema se le puede asignar un valor de
cero (E=0) en algún punto de referencia que
resulte.
En el análisis termodinámico, con frecuencia es útil considerar dos
grupos para las diversas formas de energía que conforman la
energía total de un sistema: macroscópicas y microscópicas.
Las formas macroscópicas de energía son las que posee un sistema
como un todo en relación con cierto marco de referencia exterior,
como las energías cinética y potencial.
Las formas microscópicas de energía son las que se relacionan con
la estructura molecular de un sistema y el grado de la actividad
molecular, y son independientes de los marcos de referencia
externos.
La suma de todas las formas microscópicas de energía se denomina
energía interna de un sistema y se denota mediante U.
Energía Macroscópica
La
 energía macroscópica de un sistema se relaciona con el movimiento y la
influencia de algunos factores externos como la gravedad, el magnetismo, la
electricidad y la tensión superficial.
La energía que posee un sistema como resultado de su movimiento en relación
con cierto marco de referencia se llama energía cinética (EC).
O bien por unidad de masa,

La
 energía
que posee un sistema como resultado de su incremento de altura en
un campo gravitacional se llama energía potencial (EP) y se expresa como
o, por unidad de masa,

Los efectos magnético, eléctrico y de tensión
superficial son significativos sólo en casos especiales
y en general se ignoran. En ausencia de esta clase
de efectos, la energía total de un sistema consta
sólo de las energías cinética, potencial e interna, y
se expresa como:
O bien por unidad de masa,

La mayor parte de los sistemas cerrados permanecen
estacionarios durante un proceso y, por lo tanto, no
experimentan cambios en sus energías cinética y potencial.
Los sistemas cerrados cuya velocidad y altura del centro de
gravedad permanecen constantes durante un proceso
generalmente se denominan sistemas estacionarios.
El cambio en la energía total ∆E de un sistema fijo es

idéntico al cambio en su energía interna ∆U.
Los volúmenes de control en general están relacionados con
el flujo de un fluido durante largos periodos, y es
conveniente expresar en forma de tasa el flujo de energía
asociado al flujo de un fluido.
Esto se consigue al incorporar el flujo másico ṁ, que es la
cantidad de masa que fluye por una sección transversal por
unidad de tiempo; y se relaciona con el flujo volumétrico V,
definido como el volumen de un fluido que fluye por una
sección transversal por unidad de tiempo, mediante
Flujo Másico:

Problema 1: Automóvil accionado con
combustible nuclear
En promedio, un automóvil consume alrededor de 5 L de gasolina por día y la
capacidad de su depósito de combustible es de 50 L. Por lo tanto, es necesario
reabastecer un automóvil una vez cada 10 días. Asimismo, la densidad de la
gasolina varía entre 0.68 y 0.78 kg/L, y su poder calorífico inferior es
aproximadamente de 44000 kJ/kg (es decir, cuando se quema por completo 1 kg
de gasolina se liberan 44000 kJ de calor). Suponga que están resueltos todos los
problemas relacionados con la radiactividad y la eliminación de los desechos
producidos por los combustibles nucleares, y que un automóvil nuevo utilizará
como combustible U-235. Si el carro viene equipado con 0.1 kg de U-235,
determine si este automóvil requerirá́ ser reabastecido en condiciones de manejo
promedio.
Problema 2: Energía del Viento
En cierto lugar, sopla el viento continuamente a 10 m/s. Calcule la energía

mecánica del aire por unidad de masa, y la potencia que pueda generar un
aerogenerador, con 60 m de diámetro de alabes, en ese lugar. Suponga que la
densidad del aire es 1.25 kg/m3.
Problema 3: Presa Hidroeléctrica
Un río tiene un caudal constante de 215 m3/s, y se está estudiando para generar
electricidad. Se determina que se puede construir una presa para detener el
agua y dejarla pasar desde una diferencia de alturas de 78 m, generando as í́ la
electricidad. Calcule cuánta potencia se puede generar con el agua de ese río, al
tener llena la presa. Densidad del agua 1000 kg/m3
La primera ley de la A partir de
1era Ley de la Hasta el momento se
han considerado por
termodinámica,
conocida también
observaciones
experimentales, la
termodinámica
separado varias como el principio de primera ley de la
formas de energía conservación de la termodinámica
como el calor Q, el energía. establece que la
trabajo W y la energía no se puede
energía total E, y no crear ni destruir
se ha hecho ningún durante un proceso;
intento para sólo puede cambiar
relacionarlas entre sí de forma.
durante un proceso.
Considere un sistema que experimenta una serie de procesos
adiabáticos desde un estado especificado 1 a otro estado 2. Al ser
adiabáticos, es evidente que estos procesos no tienen que ver con
transferencia de calor, pero sí con varias clases de interacción de
trabajo. Las mediciones cuidadosas durante estos experimentos
indican lo siguiente: para todos los procesos adiabáticos entre dos
estados determinados de un sistema cerrado, el trabajo neto
realizado es el mismo sin importar la naturaleza del sistema
cerrado ni los detalles del proceso.
Implícita en el enunciado de la primera ley se encuentra la conservación de la
energía. Aunque la esencia de la primera ley es la existencia de la propiedad
energía total, con frecuencia se considera a la primera ley como un enunciado
del principio de la conservación de la energía. Mostraremos algunos ejemplos
Balance de Energía
De
 acuerdo con el análisis anterior, el principio de conservación de la energía se
expresa como: el cambio neto (aumento o disminución) de la energía total del
sistema durante un proceso es igual a la diferencia entre la energía total que
entra y la energía total que sale del sistema durante el proceso. Es decir,
Esta relación es más conocida como balance de energía y es aplicable a

cualquier tipo de sistema que experimenta cualquier clase de proceso.
Incremento de la energía de un
sistema
Para
 determinar el cambio de energía de un sistema durante un proceso se
requiere evaluar la energía del sistema al principio y al final del proceso y
encontrar su diferencia. Es decir,
También, es posible que exista energía en numerosas formas: interna (energía

cinética de las moléculas, latente, química y nuclear), cinética, potencial,
eléctrica y magnética, por lo que la suma de ellas constituye la energía total E
de un sistema. En ausencia de efectos eléctricos, magnéticos y de tensión
superficial (para sistemas simples compresibles), el cambio en la energía total
del sistema durante un proceso es la suma de los cambios en sus energías
interna, cinética y potencial, lo cual se expresa como

Mecanismos de transferencia de energía
La energía se puede transferir hacia o desde un sistema en tres formas:
calor, trabajo y flujo másico. Las interacciones de energía se reconocen
en las fronteras del sistema cuando lo cruzan, y representan la energía
que gana o pierde un sistema durante un proceso.
1. Transferencia de calor, Q La transferencia de calor hacia un sistema
(ganancia de calor) incrementa la energía de las moléculas y por lo
tanto la del sistema.
2. Transferencia de trabajo, W Una interacción de energía que no es
causada por una diferencia de temperatura entre un sistema y el
exterior es trabajo.
3. Flujo másico, m El flujo másico que entra y sale del sistema funciona
como un mecanismo adicional de transferencia de energía.
Como la energía puede ser transferida en las formas de calor,
trabajo y masa, y su transferencia neta es igual a la diferencia
entre las cantidades transferidas hacia dentro y hacia fuera, el
balance de energía se expresa de modo más explícito como :

Ejercicios
1. Un tanque cerrado contiene un líquido caliente cuya energía interna inicial es
de 1500 kJ. Una rueda con hélices o rotor conectada a un eje rotatorio
imparte 250 kJ de trabajo al líquido, mientras que se pierden 700 kJ de calor
del líquido a los alrededores. ¿Cuál es la energía interna final del líquido?
2. El aire en una casa pequeña se mantiene a temperatura constante mediante
un sistema de tablero eléctrico que le suministra 5.6 kW. Existen 10 lámparas
en la casa y cada una disipa 60 W, mientras que los electrodomésticos
mayores (lavavajillas, hornilla, secadora de ropa, etc.) tienen una disipación
total de 2,560 W. La vivienda está ocupada por cuatro personas que disipan
110 W cada una. Encuentre la pérdida total de calor de la casa a los
alrededores.
3. Se va a acondicionar el aire de una casa pequeña. La casa gana 18,000 Btu/h
de calor de los alrededores, mientras que las lámparas, electrodomésticos y
ocupantes agregan 6000 Btu/h a sus interiores. Si la casa se va a mantener a
temperatura constante, ¿cuál es la capacidad requerida del acondicionador de
aire?

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En el terreno de las ciencias físicas y naturales, así como en el de la

La energía indica la capacidad de un cuerpo o sistema

O bien por unidad de masa,

o, por unidad de masa,

O bien por unidad de masa,

El cambio en la energía total ∆E de un sistema fijo es

En cierto lugar, sopla el viento continuamente a 10 m/s. Calcule la energía

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