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ENERGIA, TRANSFERENCIA
DE ENERGIA, Y ANALISISGENERAL DE ENERGIA
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Objectivos
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Introducir el concepto de energia y definir sus multiples formas
Discutir la naturaleza de la energia interna
Definir el concepto de calor y la termonologia asociada con la
transferencia de energia por calor.
Discutir los tres mecanismos de transferencia de calor: Conduccion,
Conveccion y Radiacion.
Definir el concepto de trabajo, incluyendo trabajo electrico y varias
formas de trabajo mecanico.
Introducir la primera ley de la termodinamica, balances de energia y
mecanismos de transferencia de energia hacia o desde un sistema.
Determine que fluido fluye a traves de una superficie de control de un
volumen de control junto con cualquier transferencia de energía através de la superficie de control que puede ser en forma de calor y /
o trabajo.
Definir eficiencias de conversion de energia
Discutir las implicaciones de la conversion de energia en el ambiente
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INTRODUCCION• Si tomamos la habitación entera - incluyendo el aire y el refrigerador (o
ventilador) - como el sistema, el cual es un sistema cerrado adiabático ya que
la habitación está bien sellada y bien aislado, la única interacción energía
involucrada es el cruce de la energía eléctrica los límites del sistema y entrar
en la habitación.
• Como resultado de la conversión de la energía eléctrica consumida por el
dispositivo a calor, la temperatura ambiente se elevará.
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FORMAS DE ENERGIA
• La energía puede existir en numerosas formas, tales como térmica, mecánica,
cinética, potencial, eléctrica, magnética, química y nuclear, y su suma
constituye la energía total, E de un sistema.
• La Termodinámica trata solamente con el cambio de la energía total.
• Formas macroscópicas de energía: Aquellas que posee un sistema en suconjunto con respecto a algún marco de referencia exterior, como las energías
cinética y potencial.• Formas microscópicas de energía: Están relacionados con la estructura
molecular de un sistema y el grado de la actividad molecular.
• La energía interna U: La suma de todas las formas microscópicas de energía.
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La energía macroscópica de un objeto cambia con la velocidad y
la elevación.
La energía cinética, KE: La energía que posee un sistemacomo resultado de su movimiento con relación a algún marco dereferencia.
La energía potencial, PE: La energía que posee un sistemacomo resultado de su elevación en un campo gravitatorio
FORMAS DE ENERGIA
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Energia totalde un sistema
Energia de un sistema por
unidad de masa
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Energia total por
unidad de masa
Energia cinetica
Energia cinetica
por unidad de
masa
Energia Potencial
Energia potencial
por unidad de masa
Flujo masico
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La energía total de un
sistema, se puede contener o se
almacena en un sistema, y por lo
tanto se puede ver
como las formas estáticas deenergía.
Las formas de energía que no
están almacenados en un sistema
pueden ser vistos como las formasdinámicas de energía o como las
interacciones de energía.Las formas dinámicas de la energía
se reconocen a los límites del
sistema, ya que la cruzan, y
representan la energía ganada o
perdida por un sistema durante un
proceso.
Las dos únicas formas de interacciones de energía asociados con un
sistema cerrado son calor y trabajo . La diferencia entre calor y trabajoes que en el calor el potencial es la diferencia de temperatura, de locontrario es trabajo.
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Energía mecánicaEnergia Mecanica : La forma de energía que se puede convertir entrabajo mecánico por completo y directamente por un dispositivo
mecánico ideales tales como una turbina ideal. Energías cinética ypotencial: Las formas familiares de la energía mecánica
La energía mecánica de un fluido que fluye
por unidad de masa
Tasa de energía mecánica
de un fluido que fluye
Variación de energía mecánica de un fluido durante el flujo incompresible por unidad de
masa
Tasa de cambio de energía mecánica de un fluido durante el flujo
incompresible
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• Se va a generar electricidad instalando un turbogenerador en
un lugar a 160 m debajo de la superficie de un gran depósitode agua, que puede suministrarla continuamente a 3.500 kg/s.
Calcule la potencia que se pueda generar. Resp. 5493 Kw
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12Respuestas: a) 0,866 kJ/Kg; b) 433,25 MJ
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TRANSFERENCIA DE ENERGÍA POR
CALORCalor: La forma de energía quese transfiere entre dos sistemas
(o un sistema y sus
alrededores) debido a una
diferencia de temperatura.
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Energia es
reconocida
con calor solo
cuando esta
cruza la
frontera del
sistema
calor por unidad de
masa
Calor cuando la razon
de transferencia de
calor es constante
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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
(RAZON J/S=W)
• Conducción: La transferencia de energía desde las partículas másenergéticas de una sustancia a los menos energéticos adyacentes
como resultado de la interacción entre las partículas.
• Convección: La transferencia de energía entre una superficie sóliday el fluido adyacente que está en movimiento, y se trata de losefectos combinados de conducción y el movimiento del fluido.
• Radiación: La transferencia de energía debido a la emisión de lasondas electromagnéticas (o fotones)
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ENERGIA TRANSFERIDA POR TRABAJO
• Trabajo: La transferencia de energía asociadacon una fuerza que actúa a través de una
distancia.Un pistón que se eleva , un eje de rotación, y un
alambre eléctrico de cruzando los límites del sistema están
todos asociados con las interacciones de trabajo
Trabajo por
unidad de
masa
Potencia es el trabajo
por unidad de tiempo
(kW)
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CALOR Y TRABAJO
Ambos son reconocidos en los límites de
un sistema de medida ya que cruzan las
fronteras. Es decir, tanto el calor y el
trabajo son fenómenos de frontera.
Sistemas poseen energía, pero no calor
o trabajo.
Ambos están asociados con un proceso,
no un estado.
A diferencia de las propiedades, el calor
o el trabajo no tiene sentido en un
estado.
Ambos son funciones de trayectoria (es
decir, sus magnitudes dependen de la
trayectoria seguida durante un proceso,
así como los estados finales)
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Convención Formal de signos: el calor queingresa a un sistema y el trabajo realizado por
un sistema (salida) son positivos; el calor que
abandona un sistema y el trabajo realizado alsistema (entrada)son negativos
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TRABAJO ELECTRICO
Trabajo Electrico
Potencia electrica
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FORMAS MECANICAS DE TRABAJO
• Hay dos requisitos para una interacción de trabajo entre un sistema y su
entorno para existir:
debe existir una fuerza que actúa sobre el límite.
el límite debe moverse
Trabajo = Fuerza× Distancia
Si no hay movimiento no
hay trabajo.
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TRABAJO
DE EJE
Una fuerza F que actúa
a través de un brazo de
momento r genera unTorque T
Trabajo
al eje
La potencia trasmitida a traves del eje es el trabajo
del eje por unidad de tiempo
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Trabajo del resorte
Para muelles elásticos lineales, el
desplazamiento x es proporcional a la
fuerza aplicada
k: constante del resorte (kN / m)
k: constante del resorte
(kN/m)
x1 y x2: desplazamiento inicial yfinal
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LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA
• La primera ley establece que la energía ni se crea ni se destruye durante el
proceso; sólo puede cambiar de forma.
• La Primera Ley: Para todos los procesos adiabáticos entre dos estados
especificados de un sistema cerrado, el trabajo neto hecho es la mismaindependientemente de la naturaleza del sistema cerrado y los detalles del
proceso.
Hasta el momento se han considerado por separado varias formas de energía
como el calor Q, el trabajo W y la energía total E , y no se ha hecho ningún
intento para relacionarlas entre sí durante un proceso. La primera ley de
la termodinámica, conocida también como el principio de conservación de laenergía, brinda una base sólida para estudiar las relaciones entre las diversas
formas de interacción de energía
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Balance de Energia I
El cambio neto (aumento o disminución) en la energía total del sistema
durante un proceso es igual a la diferencia entre la entrada total de energía
y la energía total que sale del sistema durante ese proceso.
En este enfoque se considera el calor y trabajo como positivos cuandoingresan al sistema y negativos cuando salen del sistema
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Balance de Energia II•
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Cambio de energia del sistema, Esistema
cambios de energia
Interna, cinetica, y potential
EFICIENCIAS DE CONVERSION DE ENERGIA
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EFICIENCIAS DE CONVERSION DE ENERGIA Eficiencia es uno de los términos más utilizados en la termodinámica, e indica qué
tan bien se lleva a cabo un proceso de conversión de energía
Eficiencia de uncalentador de agua:
La razon entre laenergiaproporcionada a lacasa por el aguacaliente a la energia
suministrada alcalentador de agua
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• Generador: Un dispositivo que convierte la energia mecanica en energiaelectrica
• Eficiencia del generador : La razon entre la potencia electrica de salidacon respecto a la potencia mecanica de entrada.
• Eficiencia termica de una planta de potencia: La razon de la potenciaelectrica de salida con respecto a la energia del combustible empleado
Eficiencia global de una planta de
potencia
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Uso de dispositivos de ahorro
energético conserva la energía.
Ayuda al medio ambiente
mediante lareducción de la cantidad de contaminantes
emitidos a la atmósfera durante la
combustión de combustible.
La combustión de combustible produce
dióxido de carbono, causa elcalentamiento globalÓxidos de nitrógeno e hidrocarburos,causa el smog
monóxido de carbono, tóxico
dióxido de azufre, provoca lluvia ácida
fi i i i i i i
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Eficiencias de dispositivos mecanicos yelectricos
Eficiencia Mecanica
La eficacia del proceso de conversión entre el trabajo
mecánico suministrado o extraído y la energía
mecánica del fluido se expresa por la eficiencia de labomba y la eficiencia de la turbina
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Eficiencia del generador
eficiencia global sistema
motor bomba
eficiencia global
sistema turbina
generador
Eficiencia del motor
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Sumario
• Formas de energia
Macroscopica = cinetica + potencial
Microscopic = Energia interna (sensible + latente + quimica + nuclear)
• Energia transferida por calor
• Energia transferida por trabajo
• Formas mecanicas de trabajo
• La primera ley de la termodinamica
Balance de Energia
Cambio de energia de un sistema
Mecanismos de transferencia de energia (calor y trabajo)
• Eficiencias de conversion de energia Eficiencia de dispositivos mecanicos y electricos (Turbinas, Bombas)