Termo

UNIDAD DOS “LEYES DE LA TERMODINÁMICA”
Trabajo, Calor y Primera Ley de la Termodinámica
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Definición matemática de trabajo termodinámico. Relación entre trabajo y energía interna. Trabajo en procesos cuasi-estáticos. Formulación matemática del primer principio de la termodinámica. Concepto de calor. Capacidad calorífica y calor específico. Entalpia

 Un sistema puedeinteractuar con su medio ambiente a través

de tres formas: realización de trabajo, transferencia de calor (energía) y transferencia de masa. De acuerdo a como sea esta interacción, podemos clasificar los sistemas en:
 Sistema abierto: se permite la realización de trabajo,

transferencia de calor y transferencia de masa.
 Sistema aislado: no se permite ninguna interacción con el

medioambiente.
 Sistema cerrado: solamente se permite la realización de

trabajo y transferencia de calor (energía)

Trabajo

Es mecanismo para la interacción de energía entre un sistema y sus alrededores.

 Consideremos un arreglo cilindro – pistón, el cual

cuenta con una parte fija (cilindro) y una parte móvil (pistón); estos elementos forman una cámara de volumen V en donde se encuentraun gas a una presión P.
 Tomemos al gas como nuestro sistema (cerrado), esta

presión ejerce fuerzas sobre la superficie de la cámara; si el pistón no se desplaza, esta fuerza no realiza trabajo.
 El pistón se desplaza una distancia infinitesimal dx, no

toda la fuerza sobre la cámara hace trabajo, solo la fuerza que actúa sobre la parte móvil, la cual es la cara del pistón que tiene unasuperficie de área A.
 La fuerza tiene una magnitud P⋅ A y actúa

perpendicularmente a esta superficie efectuando un trabajo igual a dW = P⋅ A⋅ dx .

 En dW = P⋅ A⋅ dx, el producto A⋅ dx es igual al cambio de volumen

dV de la cámara, por tanto podemos poner el trabajo realizado como:  dW = P dV ; dW = Pop dV ; integrando en los límites V1 aV2 W= Pop(V2 -V1)
 Este resultado es válidopara cualquier sistema que

cambie de volumen, sin importar su forma.

 A este tipo de trabajo se le llama
Área diferencial=dW

trabajo de expansión – compresión ya que está directamente relacionado con el cambio de volumen.

Área Total bajo la curva=W

 Para un desplazamiento infinito el

trabajo matemáticamente podemos decir que el es igual al área bajo la curva del diagrama P –V.

 Para un mismo estado inicial y final

pueden existir distintos trabajos, dependiendo de la trayectoria entre los estados. EL TRABAJO DEPENDE DEL PROCESO.

Convención de signos para el trabajo:
 Aumento de Volumen o Expansión, La fuerza tiene la misma

dirección que el desplazamiento, el trabajo es positivo y es un trabajo que realiza el gas que está en la cámara; EL SISTEMA (GAS)HA REALIZADO UN TRABAJO POSITIVO.
 Disminución de Volumen Compresión, El entorno fue

quien realizó el trabajo sobre el sistema; EL SISTEMA REALIZA UN TRABAJO NEGATIVO.
 El trabajo solo se realiza contra una fuerza o presión de oposición.

Expansión Libre no hay trabajo. W=0

PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES

 Un recipiente rígido contiene aire a 500 kPa y 150°C. Comoresultado de la transferencia de calor hacia los alrededores, la temperatura y la presión dentro del recipiente descienden a 65°C y 400 kPa, respectivamente. Determine el trabajo de frontera hecho durante este proceso.

 Un dispositivo sin fricción que consta de cilindro-émbolo

contiene 10 lbm de vapor a 60 psia y 320 °F. Se transfiere calor al vapor hasta que la temperatura alcanza 400°F.Determine el trabajo que realiza el vapor durante ese proceso.

 Al inicio un dispositivo cilindro-émbolo contiene 0.4 m3 de

aire a 100 kPa y 80 °C. Se comprime el aire a 0.1 m3 de tal manera que la temperatura dentro del cilindro permanece constante. Determine el trabajo hecho durante este proceso.
Pc: 132.5 K, 3.77 Mpa (PR 2) excepto cuando (PR >>1).

Proceso politrópico
 Durante...