Balance de energia en sistemas cerrados, abiertos en estado estacionario

BALANCE DE ENERGIA EN SISTEMA CERRADO
Se dice que un sistema es abierto o cerrado dependiendo que exista o no transferencia de masa a través de la frontera del sistema durante el período de tiempo en que ocurre el balance de energía. Por definición un proceso intermitente es un proceso cerrado y los procesos semi-intermitente y continuo son sistemas abiertos.
Es posible escribir el balancede energía integral para un sistema cerrado entre dos instantes dados. Como la energía no puede crearse ni destruirse, los términos de generación y consumo del balance general se cancelan, lo cual deja:
Acumulación = entrada – salida
Al derivar el balance integral de masa para un sistema cerrado en la sección 4.2c se eliminaron los términos de entrada y salida, ya que, por definición, la masano atraviesa las fronteras de un sistema cerrado. Si embargo, es posible que se transfiera energía a través de las fronteras como calor o trabajo, de manera que es imposible eliminar en forma automática el lado derecho de la ecuación. Igual que en los balances de masa, no obstante, el término de acumulación es igual al valor final de la cantidad balanceada (en este caso, la energía del sistema),menos el valor inicial de esta cantidad. Por tanto la ecuación puede escribirse:
Energía final del sistema – energía inicial del sistema = energía neta transferida al sistema (entradas – salidas)
Ahora
Energía inicial del sistema = Ui + EKi +Epi
Energía final del sistema = Uf + EKf +Epf
Energía transferida = Q -W
Donde los subíndices i y f se refieren a los estados inicial y final delsistema y U, EK, Ep, Q y W representan la energía interna, la cinética, la potencial, el calor transferido al sistema procedente de sus alrededores, y el trabajo realizado por el sistema sobre sus alrededores. En consecuencia la ecuación se transforma en:
(Uf - Ui) + (EKf - EKi) + (Epf - Epi) = Q-W
O, si se usa el símbolo Δ para representar (Final – Inicial),
ΔU+ ΔEK + ΔEp = Q – W
Estaecuación es una forma básica de la primera ley de la termodinámica para un sistema cerrado. Al aplicar esta expresión a un proceso dado, debe tener en cuenta los siguientes puntos:
1. La energía interna de un sistema depende casi por entero de su composición química, su estado de agregación (solido, líquido o gaseoso) y la temperatura de los materiales del sistema. Es independiente de la presión paralos gases ideales y casi independiente para de ésta para líquidos y sólidos. Si no hay cambios de temperatura o de fase ni reacciones químicas en un sistema cerrado y si los cambios de presión son menores de unas cuantas atmosferas, entonces ΔU 0.
2. Si el sistema no tiene aceleración, ΔEK = 0. si el sistema no se eleva ni cae, entonces ΔEp = 0
3. Si el sistema y sus alrededores están ala misma temperatura o si el sistema está perfectamente aislado, entonces Q = 0 y el proceso se denomina adiabático.
4. El trabajo realizado sobre o por un sistema cerrado se logra por el desplazamiento de sus fronteras contra una fuerza de resistencia, o el paso de corriente eléctrica o de radiación a través de dichas fronteras. si no hay partes móviles ni corrientes eléctricas niradiaciones en las fronteras del sistema , entonces W = 0

EJEMPLO.
Un cilindro con un pistón móvil contiene gas
La temperatura inicial del gas es 25°C
El cilindro se coloca en agua hirviendo y el pistón se mantiene en una posición fija. Se transfiere una cantidad de calor de 2.00 Kcal al gas, el cual se equilibra a 100°C (y una presión más alta). Después se libera el pistón y el gas realiza 100 J detrabajo para mover el pistón a su nueva posición de equilibrio. La temperatura final del gas es de 100°C.
Escriba la ecuación de balance de energía para cada una de las dos etapas de este proceso, y resuelva en cada caso el término desconocido de energía en la ecuación. Al resolver el problema, considere que el gas en el cilindro constituye el sistema, ignore el cambio de energía potencial del...