Capitulo 2 Cengel Resumen

“Energía, Transferencia de energía y análisis general de energía”

2.1 Introducción:

El principio de la conservación de energía es expresado en la primera ley de la termodinámica, 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 no de la cantidad.

2.2 Formas de energía

La energía puede existir en varias formas: térmica, mecánica, cinética, potencial, eléctrica, magnética, química y nuclear, cuya suma conforma la energía total E de un sistema:

(KJ/kg)

La termodinámica trata con el cambio de esta. El cambio de la energía total de un sistema es independiente del punto de referencia seleccionado.

En el análisis termodinámico, es útil considerar dos grupos que conforman la energía total de un sistema: macroscópicas y microscópicas. Las formas macroscópicas de energía son las que posee un sistema como un todo en una relación con cierto marco de referencia exterior como la 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 todos las formas microscópicas de energía se denominan energía interna de un sistema y se denota mediante U.

En 1807 Thomas Young acuñó el término energía y en 1852 lord Kelvin propuso su uso para termodinámica. El concepto de energía interna y su símbolo U apareció con Rudolph Clausius y William Rankine, sustituyendo a los términos trabajo interior, trabajo interno y energía intrínseca.

La energía macroscópica de un sistema se relaciona con el movimiento y la influencia de algunos factores externos como la gravedad, el magnetismo, la electricidad y la tensión superficial. La energía que posee un sistema como resultado de su movimiento en relación con cierto marco de referencia se llama energía cinética (EC).

La energía cinética de un cuerpo sólido que gira se determina mediante , donde I es el momento de inercia y ω es la velocidad angular.

La energía que posee un sistema como resultado de su incremento de altura en un campo gravitacional se llama energía potencial (EP):

donde g es la aceleración gravitacional y z es la altura del centro de gravedad de un sistema con respecto a algún nivel de referencia elegido arbitrariamente.

Los efectos magnético, eléctrico y de tensión superficial son significativos en casos especiales y en general se ignoran. Entonces la energía se expresa:

Los sistemas cerrados cuya velocidad y altura del centro de gravedad permanecen constantes durante un proceso generalmente se denominan sistemas estacionarios.

Los volúmenes de control en general están relacionados con el flujo de un fluido durante largos periodos, y es conveniente expresar en forma de tasa el flujo de energía asociado al flujo de un fluido. Esto se consigue al incorporar el flujo másico , que es la cantidad de masa que fluye por una sección transversal por unidad de tiempo; y se relaciona con el flujo volumétrico , definido como el volumen de un fluido que fluye por una sección transversal por unidad de tiempo

que es análogo a , donde ρ es la densidad del fluido, el área de sección transversal de flujo y es la velocidad media del flujo normal a . Entonces, el flujo de energía asociado con un fluido que fluye a una tasa de es

Algunas consideraciones físicas de la energía interna

La energía interna se define como la suma de todas Algunas consideraciones físicas de la energía interna

La energía interna se define como la suma de todas las formas microscópicas de energía de un sistema. Se relaciona con la estructura molecular y el grado de actividad molecular y se puede considerar como la suma de las energías cinética y potencial de las moléculas.

Los sistemas se examinan a nivel molecular. Las moléculas de gas se mueven en el espacio con cierta velocidad; por lo tanto, poseen algo de energía cinética. Esto se le 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 de rotación. Los átomos de este tipo podrían vibrar respecto a su centro de masa, entonces la energía de este movimiento sería la energía cinética vibratoria. Para los gases, la energía cinética se debe sobre todo a los movimientos de traslación y rotación a altas temperaturas. Los electrones en un átomo giran en torno a un núcleo y poseen energía cinética rotacional. Los electrones de órbitas exteriores tienen energías cinéticas más grandes, la energía relacionada con este movimiento es la energía de giro (espín). Las otras partículas que están ubicadas en el núcleo de un átomo también poseen energía de giro. La porción de la energía interna de un sistema relacionada con la energía cinética de las moléculas se llama energía sensible (o energía cinética de las moléculas). La velocidad promedio y el grado de actividad de las moléculas son proporcionales a la temperatura del gas, por lo que a temperaturas mayores las moléculas poseen energías cinéticas superiores y, como consecuencia, el sistema tiene una energía interna más alta.

La energía interna también esta relacionada con diversas fuerzas de enlace entre las moléculas de una sustancia. Las fuerzas que unen a las moléculas entre sí son más intensas en los sólidos que en los gases. Si se agrega suficiente energía a las moléculas, éstas vencen las fuerzas moleculares y se separan; éste es un proceso de cambio de fase. La energía interna relacionada con la fase de un sistema se llama energía latente.

Un átomo en su núcleo tiene neutrones y protones con carga positiva enlazados entre sí mediante intensas fuerzas, además de electrones cargados negativamente orbitando a su alrededor. La energía interna relacionada con los enlaces atómicos en una molécula se llama energía química.

Las fuerzas nucleares son mucho mayores que las que unen a los electrones con el núcleo. Esta enorme cantidad de energía relacionada con los fuertes enlaces dentro del núcleo del átomo se llama energía nuclear.

Los átomos pueden poseer también energías de momento dipolar eléctrico y magnético cuando se someten a campos magnéticos y eléctricos externos debidos al giro de los dipolos magnéticos resultantes de pequeñas corrientes eléctricas relacionadas con los electrones que orbitan.

Las formas de energía anteriores que son la energía total de un sistema, pueden estar contenidas o almacenadas en éste, así que es posible considerarlas como formas estáticas de energía. Las formas de energía no almacenadas en un sistema se consideran formas dinámicas de energía, o interacciones de energía, posibles de reconocer cuando cruzan las fronteras del sistema y representan la energía que éste gana o pierde durante un proceso. Las únicas dos formas de interacción de energía relacionadas con un sistema cerrado son la transferencia de calor y el trabajo. Una interacción de la energía corresponde a una transferencia de calor o de masa.

Se le llama calor a las formas de la energía interna en forma de energía cinética de las moléculas y la energía latente pero en termodinámica se le llama energía térmica para evitar confusión con transferencia de calor.

Energía mecánica

La energía mecánica se puede definir como la forma de energía que se puede convertir completamente en trabajo mecánico de modo directo mediante un dispositivo mecánico como una turbina ideal. Las formas más familiares de energía mecánica son la cinética y la potencial.

Una fuerza de presión que actúa sobre un fluido a lo largo de una distancia produce trabajo, llamado trabajo de flujo este se expresa en términos de las propiedades de los fluidos y se considera parte de la energía y se le llama energía de flujo.

donde P/ρ es la energía de flujo, V2/2 es la energía cinética y gz es la energía potencial del fluido, todas por unidad de masa. Por lo tanto, la energía mecánica de un fluido no cambia durante el flujo si su presión, densidad, velocidad y altura permanecen constantes.

2.3 Transferencia de energía por calor

La energía puede cruzar la frontera de un sistema cerrado en dos formas distintas: calor y trabajo.

El calor se define como la forma d energía que se transfiere entre dos sistemas (o entre un sistema y el exterior) debido a una diferencia de temperatura. En termodinámica se usara que es una transferencia de energía térmica durante un proceso.

El calor es energía en transición y se reconoce sólo cuando cruza la frontera de un sistema.

Un proceso durante el cual no hay transferencia de calor se denomina adiabático esto puede ser debido a que el sistema esta aislado y que entra una cantidad insignificante o que el sistema y el exterior están a la misma temperatura. Aunque no hay transferencia de calor en un proceso adiabático, otro medios como el trabajo pueden cambiar el contenido de energía y, en consecuencia, la temperatura del sistema.

Como forma de energía, el calor tiene unidades de energía, las más común el kJ (o Btu). La transferencia de calor de un sistema por unidad de masa se denota como:

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