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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TACÁMBARO
INGENIERÍA EN INDUSTRIAS
ALIMENTARIAS
MATERIA:
termodinámica
TEMA:
Trabajo y calor
PROFR: URIEL OLIVARES MOLINA
INTEGRANTES DEL EQUIPO No 2:
LIZETH CINTHIA AGUILAR TORRES
CELINDA MIRANDA ROMERO
JESSICA IVETH PEDRAZA MORA
ITZEL DANIELA RODRIGUEZ AGUILAR
GEMA YURITZI SOSA REYNOSA
TRABAJO
• En termodinámica se define como; cualquier cantidad que fluye a
través de la frontera de un sistema durante un cambio de estado y
que puede usarse por completo para elevar un cuerpo en el
entorno.
•
El trabajo es una magnitud física escalar que se representa con la
letra (del inglés Work) y se expresa en unidades de energía, esto
es en julios o joules (J) en el Sistema Internacional de Unidades.
• W=mgh
• m = masa elevada
• g = aceleración de la gravedad
• h = altura que se a elevado al cuerpo
Trabajo
Supongamos que una fuerza F actúa sobre un
cuerpo mientras este realiza un desplazamiento
infinitesimal dx en la dirección x.la cantidad
infinitesimal de trabajo dw realizada sobre el
cuerpo por la fuerza F se define como:
dw = Fx dx
Donde Fx es el componente de la fuerza en la
dirección del desplazamiento. Si el
desplazamiento infinitesimal tiene componentes
en las tres direcciones, entonces:
∞dw = Fx dx + Fy dy +
Fz dz
Consideremos ahora un desplazamiento finito. supongamos que la
partícula se mueve en una dimensión. Sobre la partícula actúa una
fuerza F(x) cuya magnitud depende de la posición de la partícula.
Como estamos en una dimensión, F solo tiene un componente y no es
necesario considerarlo como un vector. El trabajo w realizado por F
durante el desplazamiento de la partícula desde X₁ a X₂ es la suma de
la cantidades infinitesimales de trabajo(•) realizado durante el
desplazamiento: w = ∑ F(x) dx. Pero esta suma de cantidades
infinitesimales es la definición de una integral definida, de modo que:
w = ∫₁² F(x) dx
En el caso especial de que F sea
constante durante el desplazamiento,
la ecuación anterior se convierte en:
• W = F (X2-X1)
• PARA “F” CONSTANTE
Energía Mecánica; probaremos el trabajo dw en
un tiempo dt, entonces P=dw/dt.la unidad SI de
potencia es el watt (w vatio): 1 W = 1J/s
• Energía mecánica. Probaremos ahora el
teorema de trabajo – energía. Sea F la fuerza
total que actúa sobre una partícula que se
desplaza desde el punto 1 hasta el 2.La
integración de ∞ proporciona el trabajo realizado
sobre la partícula:
• W = ∫₁² Fx dx +∫₁² Fy dy +∫₁² Fz dz
la segunda ley de newton nos dice: Fx = max =
m(dvx/dt).Además, dvx/dt = (dvx/dx)(dx/dt) = (dvx/dx)vx.
Por tanto, Fx = mvx(dvx/dx), con ecuaciones similares para
Fy y Fz. Tenemos entonces que Fxdx = mvx dvx y la ecu
anterior se convierte en:
• W = ∫₁² mvx dvx + ∫₁² mvy dvy + ∫₁² mvz
dvz
• W = ½m(v²x₂ + v²y₂ +v²z₂) - ½m(v²x₁
+v²y₁ + v²z₁)
Unidades de trabajo
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Sistema Internacional de Unidades
Julio o joule, unidad de trabajo en el SI
Kilojulio: 1 kJ = 103 J
Sistema Técnico de Unidades
kilográmetro o kilopondímetro (kgm) = 1 kilogramo-fuerza x 1 metro =
9,80665 J
Sistema Cegesimal de Unidades
Ergio: 1 erg = 10-7 J
Sistema anglosajón de unidades
Termia inglesa (th), 105 BTU
BTU, unidad básica de trabajo de este sistema
Sistema técnico inglés
Pie-libra fuerza (foot-pound) (ft-lb)
]Otras unidades
kilovatio-hora
Caloría termoquímica (calTQ)
Termia EEC.
Atmósfera-litro (atm·L)
expansión
Expansión
por dos
etapas
Expansión
por varias
etapas
compresión
reversible
irreversible
• La transferencia de energía interna
asociada a una variación de volumen se
denomina trabajo termodinámico. Una
forma de trabajo muy importante es la
relacionada con los cambios de volumen,
expansiones o comprensiones, que tiene
lugar en un sistema bajo la acción de una
presión exterior
Trabajo de expansión
Supongamos un gas que ocupa un volumen V1a una presión P1 y
temperatura constante. Al aplicar una presión externa menor P2, el gas
se expandirá hasta V2.
Luego:w = -Pext(V2-V1) < 0
Trabajo de compresión
• Para calcularlo se utiliza la misma formula
que el trabajo de expansion
• En una comprensión, el volumen final es
menor que el volumen inicial, de manera
que en cada etapa ∆V es negativo.
Si se compara el trabajo de expansión
con el trabajo de comprensión, hay algo
mas que un cambio de signo. Para
comprimir el gas necesitamos sobre el
pistón masa mayores que las elevadas en
la expansion. La comprensión de un gas
en una etapa ilustra este hecho.
Un gas mantenido a temperatura
constante T, pero el estado inicial es
ahora el estado expandido T, p2 , V 2
mientras que el estado final es el de
comprension T, p1 V 1 .
El trabajo destruido en la compresión en una
etapa es mucho mayor que el producido en la
expansión en una etapa. Podemos destruir
cantidades mayores de trabajo en esta
compresión utilizando masas mayores.
Si la compresión se efectúa en dos etapas,
comprimiendo primero con una masa mas
ligera hasta un volumen intermedio y luego la
masa hasta el volumen final, se destruye una
cantidad menor de trabajo;
En la expansión en dos etapas se produjo mas
trabajo que la expansión en una etapa. Es
razonable pensar que si la expansión se
efectuara en muchas etapas utilizado una gran
masa al comienzo y haciéndola menor a medida
que avanza la expansión, podría producirse
mas trabajo.
Esto es correcto, pero hay un limite en el
procedimiento. Las masas no deben ser tan
grandes que compriman el sistema en vez
de permitir su expansión. Realizando la
expansión en un numero de etapas
progresivamente mayor, el valor del trabajo
puede crecer hasta un valor definido.
Similarmente, el trabajo destruido en una
compresión en dos etapas es menor que el
destruido en una compresión en una etapa. En
una compresión en varias etapas se destruye
menos trabajo.
El trabajo de expansión esta dado por
W=
En consecuencia, para obtener el trabajo
máximo, debemos ajustar en cada etapa la
presión de oposición a Pop = p – dp, un valor
infinitesimalmente menor que la presión del gas.
Entonces
Trabajo reversible
• El trabajo reversible se define como la cantidad máxima de trabajo
útil que puede obtenerse cuando un sistema experimenta un
proceso entre los estados inicial y final. Ésta es la salida (o entrada)
de trabajo útil que se obtiene cuando el proceso entre los estados
inicial y final se ejecuta de manera reversible.
TRABAJO IRREVERSIBLE
El w en un cambio de volumen
mecánicamente irreversible a
veces no se puede calcular
mediante termodinámica…
Este se aplica en aquellos procesos que, como
la entropía, no son reversibles en el tiempo.
Desde esta perspectiva termodinámica, todos
los procesos naturales son irreversibles. El
fenómeno de la irreversibilidad resulta del
hecho de que si un sistema termodinámico de
moléculas interactivas es trasladado de un
estado termodinámico a otro, ello dará como
resultado que la configuración o distribución
de átomos y moléculas en el seno de dicho
sistema variará.
EJEMPLO:
La presión externa sobre el pistón, se
reduce bruscamente y después se
mantiene fija, por lo que la presión
interior sobre el pistón es mayor que la
presión exterior, y el pistón sufre una
aceleración hacia fuera.
Esta aceleración inicial del
pistón del pistón alejándose del
sistema destruirá la uniformidad
de presión del gas encerrado.
La aceleración del pistón
produce turbulencia en el gas.
LEY DE LA CONSERVACIÓN
DE LA ENERGÍA
W irrev = -∫₁² P ext dv -∆K pist
∆K pist = cambio infinitesimal
de la energía cinetica del
pistón.
CUANDO EL PISTÓN SE
ENCUENTRA EN REPOSO
• ∆K pist = 0-0 = 0
• W irrev = -∫₁² P ext dV
ANTECEDENTES DEL CALOR
JOSEHP
BLACK
LAVOISIER
BENJAMIN
THOMPSON
JAMES
PRESCOTT
JOULES
DEFINICIóN DE CALOR
 El calor, o energía térmica, de define como la energía que se transmite
desde un cuerpo a otro cuando en ellos hay una diferencia de
temperaturas.
 El calor es el proceso de transferencia de energía entre diferentes cuerpos
o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas
temperaturas.
MEDICIÓN DEL CALOR
• La medición del calor se realiza a través del calorímetro.
• El calorímetro es un instrumento que sirve para medir las
cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. Es
decir, sirve para determinar el calor específico de un cuerpo, así
como para medir las cantidades de calor que liberan o absorben los
cuerpos.
• Q: cantidad de calor transferida, Cal
• Ce: calor específico de la sustancia,
Cal/Kg. ºC
• T: cambio de temperatura experimentado
por la sustancia, º C
CAPACIDAD CALORIFICA
• La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la
cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en
un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que
experimenta.
• Es la energía necesaria para aumentar una unidad de temperatura
de una determinada sustancia. Indica la mayor o menor dificultad
que presenta dicho cuerpo para experimentar cambios de
temperatura bajo el suministro de calor.
UNIDADES DE MEDIDA
La unidad de medida del calor en
el
Sistema
Internacional
de
Unidades es la misma que la de la
energía y el trabajo: el Joule.
• La caloría es conocida como caloría
pequeña, en comparación con la
kilocaloría.
1 Kcal = 1000 cal
• Joule, estableció el equivalente
mecánico del calor:
1 cal = 4,184 J
• El BTU es la cantidad de calor que se
debe agregar a una libra de agua para
aumentar su temperatura en un grado
Fahrenheit, y equivale a 252 calorías.
CALOR ESPECÍFICO
• El calor específico es la energía necesaria
para elevar 1 °C la temperatura de un
gramo de materia.
• El calor específico es un parámetro que
depende del material y relaciona el calor
que se proporciona a una masa
determinada de una sustancia con el
incremento de temperatura:
donde:
•
es el calor aportado al sistema.
•
es la masa del sistema.
•
es el calor específico del sistema.
•
es el incremento de temperatura que
Las unidades más habituales de calor
específico son J / (kg · K) y cal / (g · °C).
Sustancia
Calor específico (cal/g.ºC)
Aluminio
0,215
Berilio
0,436
Cadmio
0,055
Cobre
0,0924
Germanio
0,077
Oro
0,0308
Hierro
0,107
Plomo
0,0305
Silicio
0,168
Plata
0,056
Otros sólidos
Latón
0,092
Madera
0,41
Vidrio
0,200
Hielo (- 5 º C)
0,50
Mármol
0,21
Líquidos
Alcohol etílico
0,58
Mercurio
0,033
Agua (15 º C)
1
Calor especifico molar
• El calor específico de una sustancia es un índice
importante de su constitución molecular interna, y
a menudo da información valiosa de los detalles
de su ordenación molecular y de las fuerzas
intermoleculares. En este sentido, con frecuencia
es muy útil hablar de calor específico molar
denotado por cm, y definido como la cantidad de
energía necesaria para elevar la temperatura de
un mol de una sustancia en 1 grado es decir, está
definida por:
• ¿Qué cantidad de calor necesita absorber
un trozo de cobre cuya masa es 25g si se
encuentra a una temperatura de 8ºC y se
desea que alcance una temperatura final
de 20ºC?
bibliografia
• Fisicoquímica volumen 1 (ira N. Levine)
• http://www.uantof.cl/depto_quimica/sbarba
to/_private/conceptos_termodinamica_bla
nco.pdf
• http://www.qfa.uam.es/fqf/Tema4-2012.pdf