Energía, transferencia de energía y análisis general de energía

Capítulo 2 – Energía, transferencia de energía y análisis general de energía

La energía puede venir en diversas formas y la suma es la energía total, la energía total de un sistema por unidad de masa de denota mediante

e= E/m (KJ/Kg)

consideraremos las energías en dos grupos; macroscópicas que son las que un sistema como un todo posee en relación con cierto marco de referencia exterior (cinética y potencial) y las microscópicas que se relacionan con la estructura molecular del sistema, el grado de su actividad molecular y son independientes de los marcos externos de referencia; la suma de las energías microscópicas se llaman energía interna.

Energía cinética; energía que un sistema posee como resultado de su movimiento en cierto marco de referencia.

EC=mV2/2 (kJ)

Energía potencial; la energía que un sistema posee como resultado de su elevación en un campo gravitacional.

EP=mgz (kJ)

Energía Total es la suma de la energía interna mas la cinética mas la potencial.

E=U+EC+EP (kJ)

Algunas consideraciones físicas de la energía interna

La energía sensible es aquella porción de energía interna de un sistema asociada con la energía cinética de las moléculas.

Energía Latente es la energía interna asociada a la fase de un sistema.

Energía Química es la energía interna asociada con los enlaces atómicos en lasmoléculas.

Energía Nuclear es la energía asociada con las intensas uniones del núcleo mismo del átomo.

Éstas formas de energía pueden almacenarse o contenerse en el sistema y constituyen la energía total y se ven como posibles formas estáticas de la energía. Las que no pueden almacenarse se ven con formas dinámicas de energía, estas pueden cruzar la frontera y representan la energía ganada o perdida como transferencia de calor y trabajo.

La energía cinética de un objeto es una energía organizada asociada con el movimiento ordenado de todas las moléculas y la energía cinética de las moléculas es completamente al azar.

Energía nuclear

La reacción mejor conocida es fisión nuclear que es la ruptura del átomo de uranio (isopo U-235) en otros elementos, se usa para la generación de electricidad, impulsar submarinos y portaaviones y para naves espaciales.

Cuando un átomo de Uranio-235 absorbe un neutrón y se rompe durante un proceso de fisión produce un átomo de celsio-140, un átomo de rubidio-93 3 neutrones y 3.2 *10 -11 J de energía.

Ozono y smog

El smog esta hecho principalmente de ozono al nivel del suelo (O3), también tiene sin numero de químicos, monóxido de carbono, polvo y hollín, compuestos orgánicos volátiles como benceno, butano y otros hidrocarburos.

El ozono irrita los ojos y daña los laveolos de aire en los pulmones; causa de falta de aliento, jadeo, fatiga, dolores de cabeza y nausea.

Lluvia acida

Los óxidos de azufre y óxidos nítricos reaccionan con vapor de agua y otros químicos en la parte alta de la atmosferaen presencia de los rayos solares para formar ácidos nítrico y sulfúrico. Éstos se disuelven en las gotas de agua suspendidas en las nubes y niebla, éstas gotas son lavadas desde el aire hasta el suelo por la lluvia y nieve esto es la lluvia acida.

El efecto invernadero: el cambio de clima y el calentamiento global

El dióxido de carbono, el vapor de agua, el metano y óxidos de nitrógeno actúan como una manta y conservan tibia a la tierra por las noches, bloqueando el calor que irradia la tierra, llamados gases invernaderos.

El efecto invernadero permite la vida en la tierra ya que la conserva tibia pero el exceso de estos gases originan aumento en la temperatura y el cambio de clima en algunas localidades, esto es el calentamiento global.

Temperatura y ley cero de la termodinámica

La ley cero de la termodinámica dice que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, están en equilibrio térmico entre si; se reescribe como dos cuerpos están en equilibrio térmico si indican la misma lectura de temperatura, incluso si no se encuentran en contacto.

Escalas de temperatura

El sistema internacional y el sistema ingles utilizan la escala Celsius y la escala Fahrenheit respectivamente.

En la escala Celsius asignan a los puntos de hielo y de vapor 0 y 100°C a cada uno, los valores correspondientes en Fahrenheit son 32 y 212°F.

Una escala de temperatura termodinámica es una escala independiente de las propiedades de cualquier sustancia.

La escala de temperatura termodinámica en el SI es laescala de Kelvin, la temperatura mas baja en la escala de Kelvin es 0°, en el sistema ingles esta escala es el Rankine

T(K)= T(°C)+273.15

T(R)=T(°F)+459.67

T(R)=1.8T(K)

T(°F)=1.8T(°C)+32

Presión

La fuerza que ejerce un fluido por unidad de área, solo se emplea en un gas o líquido; en sólidos es esfuerzo y se determina en pascales.

1Pa=1N/m2

1 bar= 100kPa

1atm=101325PA

1 kgf/cm2=.9807bar

Presión absoluta es la presión real en una posición respecto al vacío.

La presión manométrica es la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica.

Variación de la presión con la profundidad

La presión de un fluido aumenta con la profundidad debido a que mayor cantidad de fluido descansa sobre capas mas profundas.

ΔP=P2-P1=ρgΔz

P=Patm+ρgh

Pmanométrica=ρgh

Principio de Pascal. La presión aplicada a un fluido confinado incrementa la presión en todo el fluido por la misma cantidad.

P1=P2

F1/A1=F2/A2

El manómetro

Éste aparato se utiliza para medir pequeñas a medianas diferencias de presión, básicamente es un tubo en forma de U y contiene un liquido de preferencia pesado para tener una escala pequeña en el tamaño del manómetro.

El Barómetro y la presión

La presión atmosférica se mide con el barómetro

Patm= ρgh

1 atm= 760mmHg=760 torr

Capítulo 2 - Propiedades de las Sustancias Puras

Sustancia Pura

Es una sustancia que tiene una composición química fija. Puede ser una mezcla siempre y cuando sea homogénea, una mezcla de dos o mas fases de sustancia pura sigue siendo sustanciapura siempre que la composición química de las fases sea la misma.

Fases de una Sustancia Pura

Una sustancia puede tener distintas fases en sus fases principales (sólido, liquido y gaseoso).

Las moléculas en un sólido se arreglan en un patrón tridimensional y a medida que se acercan la fuerza de atracción se convierte en repulsión para que no se encimen, cuando la temperatura es muy elevada, la velocidad de las moléculas alcanza un punto donde las fuerzas intermoleculares se supera y grupos de moléculas escapan esto es fusión.

En la fase liquida las moléculas no mantienen posiciones fijas entre si y pueden rotar y trasladarse libremente.

En la fase gaseosa las moléculas están bastante apartadas unas de otras y se mueven al azar.

Procesos de cambio de fase de sustancias puras

Liquido comprimido y liquido saturado

Cuando un liquido se encuentra a una temperatura lejos de evaporarse se le denomina liquido comprimido. Un líquido que esta por evaporarse se llama líquido saturado.

Vapor saturado y vapor sobrecalentado

Un vapor a punto de condensarse es un vapor saturado. Un vapor cuando no esta a punto de condensarse se denomina vapor sobrecalentado.

Temperatura de saturación y presión de saturación

La temperatura a la que el agua empieza a hervir depende de la presión; en consecuencia, si la presión es constante, lo mismo sucede con la temperatura de ebullición.

Temperatura de saturación es la temperatura a la que una sustancia pura cambia de fase. Aplica igual para la presión de saturación.

Calorlatente es la energía absorbida o producida durante el proceso de cambio de fase.

Entalpía: una propiedad de combinación: Es la combinación de U+PV

H=U+PV (kJ)

Mezcla saturada de liquido-vapor

Durante un proceso de evaporación hay

...