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Capítulo 2
2-1 INTRODUCCIÓN
El principio de conservación de energía expresado por la primera ley de la Termodinámica es un concepto que dice que la energía no se crea ni se destruye, sólo cambia de una forma a otra.
En realidad, lo que se entiende por “conservación de energía” es la conservación de la calidad de la energía, no la cantidad.
2-2 FORMAS DE ENERGÍA
La energía puede existir envarias formas: térmica, mecánica, cinética, potencial, eléctrica, magnética, química y nuclear, cuya suma conforma la energía total E de un sistema, la cual se denota por unidad de masa mediante e y se expresa como:
=E/m (kJ/kg)
El cambio de energía total de un sistema es independiente del punto de referencia seleccionado.
Las formas macroscópicas de energía son las que posee un sistema como untodo en relación con cierto marco de referencia exterior, como las energías cinética y potencial. Las formas microscópicas de energía son las que se relacionan con la estructura molecular de un sistema y el grado de la actividad molecular, y son independientes de los marcos de referencia externos. La suma de todas las formas microscópicas de energía se denomina energía interna de un sistema y sedenota mediante U.
La energía que posee un sistema como resultado de su movimiento en relación con cierto marco de referencia se llama energía cinética (EC). Cuando todas las partes de un sistema se mueven con la misma velocidad, la energía cinética se expresa como EC= m(v^2)/2 (kJ)
O bien, por unidad de masa,
ec= v^2/2 (kJ/kg)
La energía que posee un sistema como resultado de su elevación enun campo gravitacional se llama energía potencial (EP) y se expresa como: EP=mgz (kJ)
O, por unidad de masa, ep=gz (kJ/kg)
la energía total de un sistema consta sólo de las energías cinética, potencial e interna, y se expresa como: E= v+EC+EP= v+m(v^2)/2+mgz (kJ)
O bien, por unidad de masa: E=v+ec+ep=v+(v^2)/2+gz (kJ/kg)
Los sistemas cerrados cuya velocidad y elevación del centro de gravedadpermanecen constantes durante un proceso comúnmente se denominan sistemas estacionarios. El cambio en la energía total ∆E de un sistema fijo es idéntico al cambio en su energía interna ∆U. En este libro se asume que un sistema cerrado será estacionario a menos que se especifique lo contrario. El flujo másico m, que es la cantidad de masa que fluye por una sección transversal por unidad de tiempo; yse relaciona con el flujo volumétrico V, definido como el volumen de un fluido que fluye por una sección transversal por unidad de tiempo, mediante
Flujo másico: m=ǷV=ǷA (kg/s)
Algunas consideraciones físicas en relación con la energía interna
Para comprender mejor la energía interna, los sistemas se examinan a nivel molecular. Las moléculas de gas se mueven en el espacio con cierta velocidad;por lo tanto, poseen alguna energía cinética. Esto se conoce como energía de traslación. Los átomos de las moléculas poliatómicas rotan respecto a un eje y la energía relacionada con esta rotación es la energía cinética rotacional. Los átomos de este tipo de moléculas podrían vibrar respecto a su centro de masa común, entonces la energía de este movimiento de “vaivén” sería la energía cinéticavibratoria. Para los gases, la energía cinética se debe sobre todo a los movimientos de traslación y rotación, en los que el movimiento vibratorio se vuelve significativo a altas temperaturas. Los electrones en un átomo giran en torno al núcleo y, por lo tanto, poseen energía cinética rotacional. Los electrones de órbitas exteriores tienen energías cinéticas más grandes. Como estas partículastambién giran en torno a sus ejes, la energía relacionada con este movimiento es la energía de giro (espín). La porción de la energía interna de un sistema relacionada con la energía cinética de las moléculas se llama energía sensible, La velocidad promedio y el grado de actividad de las moléculas son proporcionales a la temperatura del gas.
La energía interna relacionada con la fase de un sistema se...