Primera ley termodinámica

LECTURA

Nº

9:

PRIMERA

LEY

DE

LA

TERMODINÁMICA (SISTEMAS CERRADOS)
Material recopilado con fines instruccionales por: Ing. Félix Salazar (2009). Material no publicado.

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA La primera Ley de la Termodinámica conocida también como el Principio de Conservación de la Energía “establece que la energía no se puede crear ni destruir durante un proceso;solo puede cambiar de forma”. Un ejemplo es el calentamiento del agua contenida en una cacerola en una estufa. Si se transfiere de calor al agua dese el elemento de calentamiento y se pierden del agua al aire circundante, el incremento de energía del agua será igual a la transferencia neta de calor al agua, es decir, de . Otro ejemplo es una habitación perfectamente aislada (es decir, adiabática)calentada por una rueda de paletas; como resultado del proceso de agitación se incrementa la energía del sistema y como no existe interacción de calor entre el sistema y sus alrededores , todo el trabajo de flecha (eje) realizado sobre el sistema debe presentarse como u incremento de energía del sistema. La energía suministrada por el trabajo de flecha se almacena en el aire como parte de suenergía total.

Al aplicar trabajo de frontera a un sistema cilindro-embolo y comprimir el aire contenido en el mismo en ausencia de transferencia de calor (sistema adiabático); el aire al comprimirse aumenta su temperatura por lo tanto se almacena la energía en

el aire y el principio de la conservación de la energía dicta que el incremento en la energía del sistema debe ser igual al trabajo defrontera realizado sobre el sistema.

Balance de Energía. El Principio de Conservación de la Energía expresa: “el cambio neto (incremento o disminución) en 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 ecuación es conocida como balance de energía y esaplicable a cualquier tipo de sistema que experimenta cualquier clase de proceso. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA PARA SISTEMAS CICLICOS Para un sistema cerrado que experimenta un ciclo, los estados inicial y final son idénticos, por lo que . Entonces, el balance de energía para un ciclo se simplifica a: Debido a que un sistema cerrado no tiene flujo másico en sus fronteras, el balance de energía para unciclo se expresa en términos de interacciones de calor y trabajo como: o En conclusión para un ciclo , por lo tanto Ejemplo. Un recipiente rígido contiene un fluido caliente que se enfría mientras es agitado por una rueda de paletas. Al inicio la energía interna del fluido es de de calor, pero durante el enfriamiento pierde . Por otra parte, la rueda de paletas produce de trabajo sobre el fluido.Determine la energía interna final del fluido e ignore la energía almacenada en la rueda de paletas. Considere el contenido del recipiente como un sistema cerrado, puesto que ninguna masa cruza sus fronteras durante el proceso. Se observa que el volumen de un recipiente rígido es constante y por lo tanto no hay trabajo de frontera móvil. Asimismo se pierde calor del sistema y se realiza untrabajo de flecha sobre el sistema.

Quedando

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA PARA SISTEMAS CERRADOS Las únicas dos formas de interacción de energía relacionadas con una masa fija o sistema cerrado son las transferencias de calor y trabajo, en estos casos es conveniente utilizar la convención de signos y suponer que el calor que se transferirá al sistema (entrada de calor) en la cantidad , asícomo el trabajo que realizara el sistema (salida de trabajo) en la cantidad , quedando el balance de energía para el sistema cerrado: o , donde: (Entrada neta de calor) y (Salida neta de trabajo)

CONVENCION DE SIGNOS Obtener una cantidad negativa de o significa simplemente que la dirección supuesta para esa cantidad es errónea y debe invertirse. Si se utiliza la expresión de la primera ley de la...