Primera ley de la termodinámica (lectura)

Termodinámica

Primera ley de la termodinámica
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Hasta ahora, se ha estudiado tanto el calor como el trabajo independientemente, la primera ley permite establecer una relación entre estas dos formas de energía y definir una importante propiedad termodinámica conocida como es la energía la energía total de un sistema. Como bien se sabe, existen tres formas porlas cuales la energía puede atravesar las paredes de un sistema, estas son el calor, el trabajo y la transferencia de materia. En el caso de que la masa del sistema sea constante, si el calor suministrado es exactamente igual al trabajo desarrollado, entonces no hay cambio en la energía del sistema y por lo tanto la temperatura permanece constante. Si no se mantiene la igualdad entre el calor y eltrabajo, la energía del sistema cambia disminuyendo o aumentando y en consecuencia también su temperatura. La determinación de los cambios de energía en procesos que ocurren en sistemas cerrados será el objeto de estudio de esta unidad. Más adelante se estudiarán los cambios energéticos en sistemas abiertos. El balance energético en todos los procesos químicos, biológicos, ambientales eindustriales se fundamenta en la primera ley de la termodinámica, de ahí la necesidad de insistir en la importancia que tiene el estudio detenido de ésta y sus correspondientes aplicaciones para los estudiantes en cualquier campo de la ingeniería. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA La figura 5-1 muestra un sistema que realiza un proceso cíclico conformado de una secuencia cualquiera de procesos intermedios alfinal de los cuales el sistema regresa nuevamente al estado inicial. Advierta que en cada uno de estos procesos intermedios el sistema puede interactuar con los alrededores para intercambiar calor, para realizar trabajo o para que se realice trabajo sobre él. Si se calcula el trabajo neto producido y se compara con el calor neto transferido se podrá comprobar que estas cantidades son iguales.Figura 5-1

Ing. Q. Álvaro Enrique Cisneros Revelo

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Primera ley de la termodinámica

Experimentalmente se ha observado que en todo proceso cíclico, independiente de los procesos intermedios, el calor total intercambiado es igual al trabajo neto producido. Esta aseveración que no puede deducirse de ningún otro principio constituye el enunciado de la primera ley de latermodinámica que matemáticamente se expresa así:

 Q   W

(5-1)

Las integrales cíclicas representan la sumatoria de todas las cantidades de calor o trabajo involucrados en la secuencia de procesos intermedios que conforman el proceso cíclico. Recuerde que el símbolo especial utilizado para expresar la diferencial de calor o de trabajo se debe a que son diferenciales inexactas como se haestudiado en las unidades anteriores. EJEMPLO 5-1 En el diagrama PV, mostrado en la figura 5-2, se puede observar un ciclo conformado por los siguientes procesos secuenciales: Proceso 1-2. Compresión adiabática. Proceso 2-3. Expansión isobárica.
1W 2 2W 3

= -1000 J

= 230 J Q3 = 800 J 2 = 1215 J Figura 5-2

Proceso 3-4. Expansión adiabática Proceso 4-1. Enfriamiento isocórico

3W 4Con la información suministrada determine la cantidad de calor neto transferido y el calor retirado en el proceso de enfriamiento.

Análisis del problema: existen dos procesos adiabáticos donde no hay transferencia de calor, para estos procesos Q = 0; durante el proceso isocórico no se realiza trabajo por tanto 4W 1 = 0. El trabajo neto producido durante el ciclo, está representado por el áreasombreada en el diagrama y se determina por la sumatoria del valor del trabajo en cada uno de los procesos. Observe que el trabajo en el proceso de compresión es negativo debido a que es trabajo realizado sobre el sistema, mientras que el trabajo en los procesos de expansión tiene signo positivo ya que en estos casos el sistema realiza trabajo sobre los alrededores. Para determinar el calor neto...