Download Matemáticamente la primera ley de la termodinámica se expresa:

*INSTITUTO
TECNOLÓGICO
SUPERIOR DE TACÁMBARO.
INGENIERÍA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS.
“PRIMERA LEY DE LA
TERMODINÁMICA”
PROFESOR: URIEL OLIVARES MOLINA.
*ALUMNOS:
MEJÍA SAUCEDO GABRIELA.
OROZCO VICTORIA CLAUDIA LETICIA.
*TORRES ÁVILA RICARDO.
*GUTIÉRREZ RAMOS SALVADOR.
♥ JAMES PRESCOTT
JOULE.
(1818 - 1889).
Físico británico. Uno
de los más notables
físicos de su época, es
conocido sobre todo
por su investigación en
electricidad y
termodinámica.
La cual establece que la cantidad
de calor producida en un
conductor por el paso de una
corriente eléctrica cada
segundo, es proporcional a la
resistencia del conductor y al
cuadrado de la intensidad de
corriente.
*Joule verificó
experimentalmente la ley
de la conservación de
energía en su estudio de
la conversión de energía
mecánica en energía
térmica.
La unidad de energía denominada julio
se llama así en su honor; equivale a 1
vatio - segundo. Junto con el físico
William Thomson (posteriormente lord
Kelvin), Joule descubrió que la
temperatura de un gas desciende
cuando se expande sin realizar ningún
trabajo. Este fenómeno, se conoce
como efecto Joule.
primera ley
de la
termodinámica
También, conocida como el
principio de conservación de
la energía, afirma que la
energía no puede crearse ni
destruirse; solo puede
cambiar de forma.

El cambio neto 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 dicho proceso.
 Energía
total
que entra en
el sistema.
• Energía total
Que sale del
Sistema.
• Cambio en la
energía total
del sistema.
Formas de energía:
La energía total de un sistema tiene 3
componentes:
Energía
cinética.
Energía
potencial.
♥ Energía
interna.
ENERGÍA CINÉTICA.
Es aquella debida al movimiento
traslacional del sistema como un todo
en relación con determinado marco de
referencia (por lo general la superficie
terrestre) o a la rotación del sistema
en torno a un eje.
La
energía cinética, Eκ(J) de un
objeto de masa m(kg) que se mueve
con velocidad u(m/s) en relación con
la superficie de la tierra es:
*
Ek =
1
2
mu²
Si
un fluido entra a un sistema con
una velocidad de flujo másico
m(kg/s) a velocidad uniforme
u(m/s), se tiene que:
♥Ek
=
1
2
mu²
Ek(J/s) se puede considerar como la
velocidad a la cual el fluido
transporta la energía cinética al
sistema.
*Energía Potencial.
Se debe a la posición del sistema
en un campo de potencia
(gravitacional o
electromagnético).
La energía potencial
gravitacional de un objeto
de masa m es:
Ep
= mgz
 DONDE:
g es la aceleración de la
gravedad y z es la altura del
objeto por arriba de un plano
de referencia, en el cual Ep se
define de manera arbitraria
como cero.
Si
el fluido entra a un sistema
con velocidad de flujo másico
m y elevación z en relación
con el plano de referencia de
energía potencial, entonces:
Ep
= mgz
Ep(J/s)
puede considerarse,
en consecuencia, como la
velocidad a la cual el fluido
transporta a la energía
gravitacional hacia el sistema.
Por
lo general nos interesa el
cambio de energía potencial
cuando un cuerpo o fluido se
desplaza de una elevación a otra.
[Ep2
- Ep1 = mg(z2 - z1)].
*Energía Interna.
Es la que posee un sistema además
de sus energías cinética y potencial,
por ejemplo: la debida al movimiento
de las moléculas en relación al
centro de masa del sistema, al
movimiento rotacional y vibracional y
a las interacciones
electromagnéticas de las moléculas.
Así
mismo al movimiento e
interacciones de los
constituyentes atómicos y
subatómicos de estas ultimas.
Supongamos que un sistema de
proceso es cerrado, es decir, no
hay transferencia de masa a
través de sus fronteras
mientras el proceso se realiza.
*EN FORMA DE CALOR O
ENERGÍA:
Que
fluye como resultado de la
diferencia de temperatura entre el
sistema y sus alrededores.
La dirección del flujo siempre es de
la temperatura mas alta a la mas
baja. El calor se define como
positivo cuando se transfiere de los
alrededores al sistema.
*COMO
TRABAJO
O
ENERGÍA:
Que
fluye en respuesta a
cualquier fuerza impulsora
que no sea una diferencia de
temperatura, como una fuerza,
una torque (momento de
torsión) o un voltaje.
Por ejemplo, si un gas se expande
dentro de un cilindro y mueve un
pistón contra una fuerza restrictiva,
el gas realiza trabajo sobre el
pistón (se transfiere energía en
forma de trabajo del gas a sus
alrededores, los cuales incluyen el
pistón).
Los
términos “trabajo” y “calor”
se refieren solo a la energía que
se transfiere: se puede hablar del
calor o del trabajo que se añade o
desprende del sistema.
La
energía, al igual que el trabajo,
tiene unidades de fuerza
multiplicada por la distancia: por
ejemplo, Joules (N.m), ergs
(dina.cm) y ft.lbf.
También es común usar unidades
de energía definidas en términos de
la cantidad de calor que debe
transferirse a una masa especifica
de agua para aumentar su
temperatura en un intervalo
especifico a presión constante de
un atm.
TABLA DE LAS UNIDADES MAS
COMUNES.
MATEMÁTICAMENTE LA
PRIMERA LEY DE LA
TERMODINÁMICA SE
EXPRESA:
ΔU = Q ± W
Donde:
ΔU
= variación de la energía interna
del sistema expresada en calorías
(cal) o Joules (J).
Q = calor que entra o sale del
sistema medido en calorías o joules.

El valor de Q es positivo cuando
entra calor al sistema y
negativo si sale de él.
El valor de W es positivo si el
sistema realiza trabajo y
negativo si se efectúa trabajo
de los alrededores sobre el
sistema.
BALANCE DE ENERGÍA PARA
SISTEMAS CERRADOS
Se dice que un
sistema es abierto o
cerrado dependiendo
de que la masa
cruce o no las
fronteras del sistema
durante el tiempo
cubierto por el
balance de energía.
Por definición, un
sistema de proceso
por lotes es cerrado,
y los sistema
semicontinuos o
continuos son
abiertos.

*Balance de energía
para sistemas
cerrados. (masa
fija)

Es posible escribir el balance de energía integral para
un sistema cerrado entre los instantes dados, como la
energía no puede crearse ni destruirse, los términos de
generación y consumo del balance general se cancelan
lo cual dejan:
Acumulación = entrada – salida

El termino de acumulación es igual a el valor final de la
cantidad balanceada (en este caso la energía del
sistema), menos el valor inicial de esta cantidad.
POR
LO TANTO LA ECUACIÓN PUEDE
ESCRIBIRSE:
 acumulación = entrada – salida
Energía
final del
sistema
Energía
inicial del
sistema
Energía
transferida
al sistema
(entrada –
salida)
En donde:
Energía inicial del sistema = Ui + Eki + Epi
Energía final del sistema = Uf + Ekf + Epf
Energía transferida = Q - W
EN CONSECUENCIA LA
ECUACIÓN QUEDA:

Un sistema cerrado consta de
una masa fija.
Este es en especial el caso para
los sistemas estacionarios, ya
que no comprenden cambios en
la velocidad o elevación durante
el proceso.
En ese caso, la relación del balance de
energía se reduce a
sistema cerrado estacionario:
Eent - E sal = ΔU = mCvΔT
= (T2 - T1)
(J)
ΔT
EN DONDE:
ΔT = cambio de temperatura
 Cv = calor especifico.
 m = masa.
 T1 = temperatura inicial.
 T2 = temperatura final.

Cuando el sistema solo comprende
transferencia de calor y ninguna
interacción de trabajo, la relación de
balance de energía se reduce todavía
mas.

Sistema cerrado estacionario sin
trabajo.
Q = mCvΔT (J) ΔT = (T1 – T2)
Donde
Q es la cantidad neta
de la transferencia de calor
que entra o sale del sistema.
La anterior es la forma de la
relación del balance de energía
que se usara con mas
frecuencia al tratar una masa
fija.
PRIMERA
LEY DE LA
TERMODINÁMICA PARA SISTEMAS
ABIERTOS
 Por
definición, hay masa que atraviesa las
fronteras de un sistema de proceso
abierto a medida que este ocurre. Para
introducir masa al sistema es necesario
realizar trabajo sobre el mismo y cuando
emerge masa del sistema se lleva a cavo
trabajo en los alrededores.
TRABAJO
FLECHA.
DE FLUJO Y DE
 La
velocidad neta de trabajo realizado por
un sistema abierto sobre sus alrededores
se expresa como:
 Donde:
 Ws
= trabajo de flecha o velocidad de
trabajo realizado por el fluido del proceso
sobre alguna parte móvil dentro del sistema
(p.ej. El rotor de una bomba).
Wn = trabajo de flujo o velocidad de trabajo realizado
por el fluido en salida del sistema, menos la velocidad
de trabajo realizado sobre el fluido en la entrada del
sistema.
 Para derivar la expresión Wn consideraremos, de
inicio, un sistema de entrada y una salida.

El
2
fluido a P entrada (N/𝑚 ) entra a
una tubería a velocidad de flujo
volumétrico V entrada (𝑚3 /s) y sale a
presión P salida (N/𝑚2 ) y con una
velocidad de flujo volumétrico V
3
salida (𝑚 /s)
El fluido que entra al sistema experimenta el trabajo
realizado sobre el por el fluido que se encuentra justo
detrás, a razón de:
2
3
 W entrada (N*m/s) = P entrada (N/𝑚 ) V entrada (𝑚 /s).
Mientras que el fluido que sale del sistema lleva a cavo un
trabajo sobre los alrededores a razón de:
W salida = P salida – V salida
La velocidad neta sobre la cual el sistema realiza el
trabajo en la entrada y en la salida es:
Wn = P salida V salida – P entrada V entrada
Si varias corrientes de entrada y salida llegan y se van del
sistema, los productos PV para cada corriente deben
sumarse para determinar Wn.

 Una
propiedad que se presenta en la ecuación
de balance de energía para sistemas abiertos es
la entalpia especifica, que se define como:
Donde P es la presión total U y V son la energía
interna y el volumen especifico.
La función de la entalpia es importante
en los análisis de sistemas abiertos,
sin embargo también se puede
demostrar que si un sistema serrado
se expande (o contrae) en contra de
una presión externa constante, ΔEk y
ΔEp son insignificantes, y el único
trabajo realizado por o sobre el
sistema es de expansión y, entonces la
ecuación de balance de energía se
reduce a:
ΔH = Q
EL
BALANCE DE ENERGÍA PARA UN
SISTEMA ABIERTO EN ESTADO
ESTACIONARIO.
 La
primera ley de la termodinámica para un sistema
abierto en estado estacionario tiene la forma de:

ENTRADA = SALIDA
En este caso la entrada significa la velocidad total de
transporte de energía cinética, potencial e interna por
todas las corrientes de entrada al proceso, mas la
velocidad de transferencia de energía en la entrada en
forma de calor, y la salida es la velocidad total de
transporte de energía por las corrientes de salida,
mas la velocidad de transferencia de energía hacia
afuera en forma de trabajo.
 En
términos de estas cantidades, la ecuación
se transforma en:
La ecuación indica que la velocidad neta a la
cual se transfiere energía al sistema como
calor y/o trabajo de flecha (Q – Ws), es igual a
las diferencias entre las velocidades a las
cuales la cantidad de (ΔH + ΔEk + Δep)
Se transporta hacia afuera o hacia adentro del
sistema.
El termino estacionario significa
ningún cambio con el tiempo en
una ubicación especifica.
Lo opuesto a estacionario es no
estacionario o transitorio.
Asimismo, el termino uniforme
implica ningún cambio con la
posición en toda una superficie o
región en un tiempo especifico.
El contenido total de energía de
un volumen de control durante un
proceso de flujo estacionario
permanece constante (Evc =
constante).

Es decir, el cambio en la energía
total del volumen de control
durante un proceso de este tipo es
cero. (ΔEvc = 0).

Por lo tanto, la cantidad de energía
que entra en un volumen de control en
todas las formas (calor, trabajo y
transferencia de masa) para un
proceso de flujo estacionario debe ser
igual a la cantidad de energía que sale
de el.
El
volumen de un fluido que fluye
por un tubo o ducto por unidad
de tiempo se llama gasto
volumétrico V y se expresa como:
V = °VAc =
𝒎
𝝆
(m3 /s)
Note que el gasto de masa de un fluido
por un tubo o ducto permanece
constante durante el flujo estacionario.
sin embargo, este no es el caso para el
gasto volumétrico, a menos que la
densidad del flujo permanezca
constante.
Cuando los cambios en las energías
cinética y potencial son despreciables,
que es el caso mas común, y no se tiene
interacción de trabajo , el balance de
energía para tal sistema de flujo
estacionario se reduce a:
Q = mΔh = mCpΔT
𝑚
𝑇1
𝑚
𝑇2
Etransferencia = mCp( T2 – T1)
Volumen
de centro
(kJ/s)
En don de Q, es la velocidad de la
transferencia neta de calor hacia
adentro o hacia afuera del volumen de
control.
La anterior es la forma de relación de
balance de energía que se usara con la
mayor frecuencia para sistemas de
flujo estacionario.
Una superficie no contiene volumen ni
masa y, por lo tanto, tampoco energía.
Por lo mismo, una superficie se
puede concebir como un sistema
ficticio cuyo contenido de energía
permanece constante durante un
proceso (precisamente como un
sistema de estado estacionario o de
flujo estacionario).
Balance superficial de energía:
Eent = E sal
Esta condición es valida tanto para
condiciones estacionarias como
transitorias.

El balance superficial de energía no comprende
generación de calor puesto que una superficie no tiene
volumen.
PARED

conducción
Superficie de
control
Radiación
Q3
Q1
Q2
convección
El balance de energía
para
la
superficie
exterior, por ejemplo, se
puede expresar como:
Q1 = Q2 + Q3
Donde Q1 es la conducción de la pared
hasta la superficie, Q2 es la convección
de la superficie hacia el aire del
exterior y Q3 es la radiación neta de la
superficie hacia los alrededores.
*FUENTES CONSULTADAS.
 Termodinámica.
Cuarta edición.
Yunus A. Cengel. Michael A. Boles.
Pág. 164-168.
 Transferencia
de calor
Yunus A. Cengel
Segunda edición
Pág.11-17.
 www.fisicanet.com.or/biografias/cientificos/j/Joule.
php.
hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hb asees/ke.html
http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbasees/thermo/inten
g.html
http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbasees/pegr
av.html