Resumen del capitulo 4 de termodinamica

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Trabajo de Frontera Móvil
El trabajo de frontera móvil o trabajo de frontera es el trabajo de expansión y compresión de un gas en un dispositivo cilindro-embolo. Es la principal forma de trabajo relacionado con los motores de automóviles.
El trabajo de frontera en motores o compresores reales se determina mediante mediciones indirectas debido a que en la velocidad en la que en embolo trabajaimpide que el gas en el interior mantenga su equilibrio.
El trabajo de frontera total realizado durante el proceso completo a medida que se mueve el embolo, es la sumatoria de los trabajos diferenciales desde los estados inicial hasta el final.
W_b=∫_1^2▒P dV (kJ)
El proceso de expansión en cuasi equilibrio descrito se muestra en una diagrama P-V, en la que el área diferencial dA es igual aP dv, que es el trabajo diferencial. El área total A bajo la curva.
Área=A=∫_1^2▒dA =∫_1^2▒〖P dV〗
Comparando las ecuaciones anteriores el área bajo la curva del proceso en un diagrama P-V es igual en magnitud al trabajo hecho en cuasiequilibrio durante una expansión o proceso de compresión de un sistema cerrado.
Un gas puede seguir diferentes trayectorias cuando cambia de estado 1 al 2. Si larelación entre P y V durante un proceso de expansión o compresión se da en términos de datos experimentales en lugar de en forma funcional.
Se puede generalizar la relación de trabajo de la frontera expresándola como:
W_b=∫_1^2▒Pi dV
Donde Pi es la presión en la cara interna del embolo. Wb representa la cantidad de energía transferida desde el sistema durante un proceso de expansión.
Enun motor de automóvil, el trabajo de frontera realizado mediante la expansión de gases calientes, se usa para vencer la fricción entre el embolo y el cilindro, remover el aire atmosférico del camino del embolo y hacer girar el cigüeñal.
W_b=W_friccion+W_atm+W_cigüeñal=∫_1^2▒(F_friccion+P_atm A+F_cigüenal )dx
El uso de la relación de trabajo de frontera no se limita a los procesos decuasiequilibrio de gases, también se puede usar para sólidos y líquidos.
Proceso Politrópico
Durante procesos reales de expansión y compresión de gases, la presión y el volumen suelen relacionarse mediante PV^n=C, donde n y C son constantes, esto es un proceso politrópico. La presión para un proceso de este tipo se puede expresar como:
P=CV^(-n)
Cuando n ≠ 1
W_b=mR(T_2-T_1 )/(1-n) (kJ)
Para el casoespecial n =1, el trabajo de frontera se convierte en
W_b=∫_1^2▒〖P dV〗=∫_1^2▒〖CV^(-1) 〗=PV ln⁡(V_2/V_1 )
Balance de Energía para Sistemas Cerrados
Se expresa como:
E_entrada-E_salida=〖∆E〗_sistema (kJ)
En forma de tasa como
E_entrada-E_salida=〖dE〗_sistema/dt (kW)
Las cantidades totales durante un intervalo de tiempo ∆t se relacionan con las cantidades por unidad de tiempo como:Q=Q ̇∆t, W=W ̇∆t, y ∆E=(dE/dt)∆t kJ
El calor se transferirá al sistema en la cantidad de Q, así como el trabajo que realizara el sistema en la cantidad W, para después resolver el problema. La relación del balance de energía en este caso para un sistema cerrado se convierte en
Q_(neto,entrada)-W_(neto,salida)=〖∆E〗_sistema o Q-W=∆E
La primera ley no se puede probar en formamatemática, el calor y el trabajo no son distintas cantidades de energía, desde el punto de vista de la primera ley, tanto el calor como el trabajo no son diferentes en absoluto, pero desde el punto de vista de la segunda ley, sin embargo, calor y trabajo son muy diferentes.
Calores Específicos
El calor específico se define como la energía requerida para elevar en un grado la temperatura de unaunidad de masa de una sustancia. En termodinámica se estudian 2 clases de calores específicos: calor especifico a volumen constante C_V y calor especifico a presión constante C_P,
El calor específico a un volumen constante es la energía requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia cuando el volumen se mantiene constante.
A partir de la definición de...
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