SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

                                                                PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA








 3.1Trabajo de sistema cerrado, sin fricción y presión uniforme

El trabajo termodinámico se define como la energía que se transfiere entre un sistema y su entorno cuando entre ambos se ejerce una fuerza. Numéricamente, el trabajo infinitesimal “d‾W” que realiza una fuerza “F” al sufrir su punto de aplicación un desplazamiento “dr” viene dado por la expresión:

, siendo por lo tanto una magnitud escalar. El trabajo total en un desplazamiento finito del punto de aplicación de la fuerza se obtiene por integración de la expresión anterior:

, para lo cual es necesario conocer la relación entre “F” y “dr” si la fuerza no es constante.

2.1.Trabajo de sistema abierto operando en estado estable, con una entrada y una salida de flujo y sin fricción



 
INTRODUCCIÓN: En este capítulo veremos…..desde sistemas cerrados hasta sistemas abiertos…pasando por teoría de válvulas e interpretaciones de v dP. Turbo Compresor de un motor a Petróleo Diesel Turbina de Vapor del Lab. Energìa PUCP- Ejemplo de sistemas abiertos. 

 
INDICE INTRODUCCION 11.1 Primera Ley de Termodinámica - Sistemas Abiertos o Volúmenes de Control 11.2 Máquinas que trabajan con sistemas abiertos 11.3Ecuación de Continuidad 11.4 Primera Ley Sistemas abiertos 11.5Sistemas Abiertos Uniformes. Problemas 

 
La energía suministrada al sistema es igual al cambio de energía en el sistema más la energía evacuada del sistema. 10.1 PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA Sistema Abiertos o Volumen de Control VC “LA ENERGIA NO SE CREA NI SE DESTRUYE, SOLO SE TRANSFORMA”. (PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES) 

 
En este Capítulo veremos el caso cuando el E sistema es cero, que es en la mayoría de las máquinas que tienen sistemas abiertos, se llama Volumen de Control Estacionario o Permanente Todo lo que entra es igual a lo que sale!! 

 
Máquinas que trabajan con Sistemas Abiertos SISTEMAS ABIERTOS: -Bombas, calderas, turbinas, compresores, condensadores, válvulas. Sistema de Refrigeración Industrial Turbina a Vapor , 10 kW de Potencia 

 
Turbina a gas - Motor de Helicóptero Turbina a gas de 40 kW 

 
10.2 Ecuación de Continuidad 

 
Esta es una Turbina de avión, dónde estaría la Tobera ? Para qué sirve en este caso ? Si entra un flujo de masa de 5, cuánto de flujo de masa saldrá ? 

 


 
10.3 VOLUMEN DE CONTROL ESTACIONARIO (PERMANENTE): FEES Condiciones: 1. Volumen de control no se mueve. (no cambia) 2. Flujo que entra = Flujo que sale. 3. El cambio de energía en un VC es igual a cero. El estado en un VC cualquiera no varía con el tiempo o las condiciones de salida y entrada son constantes. me = ms . . 

 


 
Múltiples usos de las Toberas De cada una de las figuras de estas páginas diga Ud. la utilidad de las toberas en cada caso. www.menbers aol.com www.menbers aol.com www.tfd.chalmers.se www.hikeytech.com 

 
www.onera.fr www.onera.fr www.rollsroyce.com 

 
www.tuyere-moteur-vulcain www.istp.nasa.gov 

 


 
10.4 Primera Ley Sistemas Abiertos Reversibles 

 


 


 
Con estas ecuaciones debemos resolver todos los problemas de Sistemas Abiertos; en realidad solo son dos ecuaciones, pues cualquiera tercera será redundante 

 
Entalpía (Dh) a)Sustancias Puras: CP no es constante, entonces la entalpía (h) se calcula de tablas. 

 
b) Gases Ideales Los valores del cp de cada sustancia varian con la temperatura, solamente son constantes si los consideramos como gases ideales. 

 
En un ciclo, siempre la sumatoria de los trabajos (sea el que sea), sera igual a la sumatoria de los calores, e igual al área dentro de una CURVA P - V. 

 
En el osciloscopio se puede ver la curva P v n, y luego calcular el área y por lo tanto el Trabajo de Cambio de volumen Wv 

 
Coeficiente de Joule Thompson - Válvulas COEFICIENTE DE JOULE THOMSON: Curva de Inversión Consideremos la situación de la figura mostrada. Por un conducto de área constante, fluye un gas real. Entre los puntos 1 y 2 se coloca una placa con un orificio, el cual causa una cierta caída de presión en la corriente. El proceso se denomina proceso de estrangulamiento, y si los cambios de energía cinética y potencial fueran despreciables, la ecuación de balance energético para flujo estacionario adiabático se reduciría a: 

 
El proceso de estrangulación se presenta en las expansiones adiabáticas de los fluidos en las válvulas, cuando las energías cinéticas son despreciables tanto a la entrada como a la salida. Si en el diagrama T-P, se traza la información experimental de los gases reales se obtiene un conjunto de curvas. El lugar geométrico de los máximos de las curvas de entalpía constante se denomina curva de inversión y el punto del máximo en cada curva se llama punto de inversión. La pendiente de una curva isoentálpica se denomina coeficiente de Joule Thomson: uj La entalpía de un Gas Ideal es función de la temperatura solamente, de tal modo que una línea de entalpía constante, en un gas ideal, es también de temperatura constante. 

 


 


 
Ejemplo SISTEMAS ABIERTOS: Bomba: Caldera: 

 
Turbina: Condensador: 

 
CICLOS POSITIVOS (Máquinas Térmicas) Se suministra calor para obtener trabajo. El resto de calor se evacua a una fuente de baja temperatura Sabemos que: Eficiencia Térmica: QB (-) sale del sistema QA (+) suministrado al sistema 

 
Ejemplo: Central Térmica: 

 
Sistemas Abiertos UNIFORMES - FEUS 

 
Resumen de Primera Ley de Termodi-námica 

 
PROBLEMAS-PRIMERA LEY PARA SISTEMAS Y CICLOS 1. El aire contenido en un recipiente se comprime mediante un pistón cuasiestáticamente. Se cumple durante la compresión la relación Pv1.25 = cte. La masa de aire es de 0.1kg y se encuentra inicialmente a 100kPa, 20°C y un volumen que es 8 veces el volumen final. Determinar el calor y el trabajo transferido. Considere el aire como gas ideal. 

 
2. El dispositivo mostrado consta de un cilindro adiabático dividido en dos compartimientos (A y B) mediante una membrana rígida perfecta conductora de calor (en todo momento la temperatura de los compartimentos varía en la misma magnitud, es decir «TA=»TB). En A se tiene 0,2kg de Nitrógeno encerrado mediante un pistón adiabático, y en B se tiene 0.25kg de agua, inicialmente a 2.5kPa en un volumen de 0.8158m3. Durante el proceso el lado A es calentado por una resistencia eléctrica proporcionando 100kJ, y al B se transfiere calor (700kJ) hasta que el agua esté como Vapor Saturado. Si P0=100kPa y el cambio de volumen de A es 0.7m3, hallar:a)Calor intercambiado entre A y B. b)Trabajo de cambio de volumen realizado por el Nitrógeno. c)Trabajo técnico involucrado en el proceso. 

 


 


 
4. Vapor a presión de 1.5MPa y 300°C, fluye en una tubería. Un recipiente inicialmente vacío se conecta a la tubería por medio de una válvula hasta que la presión es de 1.5MPa, luego se cierra la válvula. Despreciar los cambios de energía cinética y potencial, el proceso es adiabático. Determinar la temperatura final del vapor. 



2.2. Trabajo en un proceso cíclico

2.3. Calor y proceso adiabático
Un proceso adiabático es aquel en que el sistema no pierde ni gana calor. La primera ley de Termodinámica con Q=0 muestra que todos los cambios en la energía interna están en forma de trabajo realizado. Esto pone una limitación al proceso del motor térmico que le lleva a la condición adiabática mostrada abajo. Esta condición se puede usar para derivar expresiones del trabajo realizado durante un proceso adiabático.

La relación entre los calores específicos γ = C_P/C_V, es un factor en la determinación de la velocidad del sonido en un gas y otros procesos adiabáticos, así como esta aplicación a los motores térmicos. Esta proporción γ = 1,66 para un gas monoatómico ideal y γ = 1,4 para el aire, el cual es predominantemente un gas diatómico.


2.4. Sistema con transferencia de calor

TRANSFERENCIA DE CALOR

Esta sección la hemos tomado del libro Zemasky (2016).

Hemos hablado de: conductores y aislantes que son, respectivamente, los materiales que permiten o impiden la transferencia de calor entre cuerpos. Veamos ahora más a fondo las tasas de transferencia de energía. En la cocina, usamos una olla de metal o vidrio para tener buena transferencia de calor de la estufa a lo que cocinamos, pero el refrigerador está aislado con un material que evita que fluya calor hacia la comida que está en el interior. ¿Cómo describimos la diferencia entre estos dos materiales?

Los tres mecanismos de transferencia de calor son conducción, convección y radiación. Hay conducción dentro de un cuerpo o entre dos cuerpos que están en contacto. La convección depende del movimiento de una masa de una región del espacio a otra. La radiación es transferencia de calor por radiación electromagnética, como la luz del Sol, sin que tenga que haber materia en el espacio entre los cuerpos.

Conducción

En el nivel atómico, los átomos de las regiones más calientes tienen más energía cinética, en promedio, que sus vecinos más fríos, así que empujan a sus vecinos, transfiriéndoles algo de su energía. Los vecinos empujan a otros vecinos, continuando así a través del material. Los átomos en sí no se mueven de una región del material a otra, pero su energía sí.

Sólo hay transferencia de calor entre regiones que están a diferente temperatura, y la dirección de flujo siempre es de la temperatura más alta a la más baja. La figura de la izquierda muestra una varilla de material conductor con área transversal A y longitud L. El extremo izquierdo de la varilla se mantiene a una temperatura TH, y el derecho, a una temperatura menor TC, así que fluye calor de izquierda a derecha. Los costados de la varilla están cubiertos con un aislante ideal, así que no hay transferencia de calor por los lados.

Si se transfiere una cantidad de calor dQ por la varilla en un tiempo dt, la tasa de flujo de calor es dQ/dt. Llamamos a ésta la corriente de calor, denotada por H. Es decir, H = dQ/dt. Se observa experimentalmente que la corriente de calor es proporcional al área transversal A de la varilla y a la diferencia de temperatura (TH-TC), e inversamente proporcional a la longitud de la varilla L. Introduciendo una constante de proporcionalidad k llamada conductividad térmica del material, tenemos:

H= Corriente de calor en conducción

Q = Calor

t = Tiempo

L = Largo

TH = Temperatura mayor

TC = Temperatura menor

k = Conductividad térmica

A = Área 

La cantidad (TH-TC)/L es la diferencia de temperatura por unidad de longitud, llamada gradiente de temperatura. El valor numérico de k depende del material de la varilla. Los materiales con k grande son buenos conductores del calor; aquellos con k pequeña son conductores o aislantes deficientes. La ecuación también da la corriente de calor que pasa a través de una plancha, o por cualquier cuerpo homogéneo con área transversal A uniforme y perpendicular a la dirección de flujo; L es la longitud de la trayectoria de flujo del calor. Las unidades de corriente de calor H son unidades de energía por tiempo, es decir, potencia; la unidad SI de corriente de calor es el watt (1 W = 1 J/s). Podemos determinar las unidades de kdespejándola de la ecuación. Verifique que las unidades sean W/m · K. En la tabla se dan algunos valores de k.

Convección

La convección es transferencia de calor por movimiento de una masa de fluido de una región del espacio a otra. Como ejemplos conocidos tenemos los sistemas de calefac- ción domésticos de aire caliente y de agua caliente, el sistema de enfriamiento de un motor de combustión y el flujo de sangre en el cuerpo. Si el fluido circula impulsado por un ventilador o bomba, el proceso se llama convección forzada; si el flujo se debe a diferencias de densidad causadas por expansión térmica, como el ascenso de aire caliente, el proceso se llama convección natural o convección libre. La convección libre en la atmósfera desempeña un papel dominante en la determinación del estado del tiempo, y la convección en los océanos es un mecanismo importante de transferencia global de calor. En una escala menor, los halcones que planean y los pilotos de planeadores, aprovechan las corrientes térmicas que suben del suelo caliente. El mecanismo de transferencia de calor más importante dentro del cuerpo humano (necesario para mantener una temperatura casi constante en diversos entornos) es la convección forzada de sangre, bombeada por el corazón. La transferencia de calor convectiva es un proceso muy complejo, y no puede des- cribirse con una ecuación simple. Veamos algunos hechos experimentales:

• La corriente de calor causada por convección es directamente proporcional al área superficial. Esto explica las áreas superficiales grandes de los radiadores y las aletas de enfriamiento.
• La viscosidad de los fluidos frena la convección natural cerca de una superficie estacionaria, formando una película superficial que, en una superficie vertical, suele tener el mismo valor aislante que tiene 1,3 cm de madera terciada (valor R = 0,7). La convección forzada reduce el espesor de esta película, aumentando la tasa de transferencia de calor. Esto explica el “factor de congelación”: nos enfriamos más rápidamente en un viento frío que en aire tranquilo a la misma temperatura.
• La corriente de calor causada por convección es aproximadamente proporcional a la potencia 5 de la diferencia de temperatura entre la superficie y el cuerpo 4 principal del fluido.

Ley de enfriamiento de Newton

La ley del enfriamiento de Newton o enfriamiento newtoniano establece que la tasa de pérdida de calor de un cuerpo es proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y sus alrededores. Fue determinado experimentalmente por Isaac Newton analizando el proceso de enfriamiento y para él la velocidad de enfriamiento de un cuerpo cálido en un ambiente más frío Tm, cuya temperatura es T, es proporcional a la diferencia entre la temperatura instantánea del cuerpo y la del ambiente. Cuando la diferencia de temperaturas entre un cuerpo y su medio ambiente no es demasiado grande, el calor transferido en la unidad de tiempo hacia el cuerpo o desde el cuerpo por conducción, convección y radiación es aproximadamente proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el medio externo.

A = Área del cuerpo
α = Coeficiente de intercambio de calor, depende de la forma geométrica del cuerpo.
T = Temperatura del cuerpo en un tiempo t
Ta = Temperatura ambiente
Q = Calor transferido
m = Masa
Ce = Calor específico
t = Tiempo
T0 = Temperatura inicial del cuerpo

Radiación

La radiación es la transferencia de calor por ondas electromagnéticas como la luz visible, el infrarrojo y la radiación ultravioleta. Todos hemos sentido el calor de la radiación solar y el intenso calor de un asador de carbón, o las brasas de una chimenea. Casi todo el calor de estos cuerpos tan calientes no nos llega por conducción ni por convección en el aire intermedio, sino por radiación. Habría esta transferencia de calor aunque sólo hubiera vacío entre nosotros y la fuente de calor.

Todo cuerpo, aun a temperaturas ordinarias, emite energía en forma de radiación electromagnética. A temperaturas ordinarias, digamos 20 °C, casi toda la energía se transporta en ondas de infrarrojo con longitudes de onda mucho mayores que las de la luz visible. Al aumentar la temperatura, las longitudes de onda se desplazan hacia valores mucho menores. A 800 °C, un cuerpo emite suficiente radiación visible para convertirse en objeto luminoso “al rojo vivo”, aunque aun a esta temperatura la mayoría de la energía se transporta en ondas de infrarrojo. A 3000 °C, la temperatura de un filamento de bombilla incandescente, la radiación contiene suficiente luz visible para que el cuerpo se vea “al rojo blanco”.

La tasa de radiación de energía de una superficie es proporcional a su área superficial A, y aumenta rápidamente con la temperatura, según la cuarta potencia de la temperatura absoluta (Kelvin). La tasa también depende de la naturaleza de la superficie; esta dependencia se describe con una cantidad e llamada emisividad: un número adimensional entre 0 y 1 que representa la relación entre la tasa de radiación de una superficie dada y la de un área igual de una superficie radiante ideal a la misma temperatura. La emisividad también depende un poco de la temperatura. Así, la corriente de calor H= dQ/dt debida a radiación de un área superficial A con emisividad e a la temperatura absoluta T se puede expresar como (Zemasky, 2016):

H = Tasa de radiación

A = Área

e = Coeficiente de emisividad

T = Temperatura del cuerpo

Ts = Temperatura ambiente

Hnet= Tasa neta de radiación

σ = Constante de Stefan-Boltzmann 

2.5.Primera ley de la termodinámica en:

http://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/Curso%20Mabe%20Termo/Introducci%C3%B3n%20a%20la%20Termodinamica.pdf

Aquí les dejo un pdf para mayor información.

La primera ley de la termodinámica, es la aplicación del principio de conservación de la energía, a los procesos de calor y termodinámico:

La primera ley hace uso de los conceptos claves de energía interna, calor, y trabajo sobre un sistema. Usa extensamente el estudio de los motores térmicos. La unidad estándar de todas estas cantidades es el julio, aunque algunas veces se expresan en calorías o BTU.

En los textos de Química es típico escribir la primera ley como ΔU=Q+W. Por supuesto que es la misma ley, -la expresión termodinámica del principio de conservación de la energía-. Exactamente se define W, como el trabajo realizado sobre el sistema, en vez de trabajo realizado por el sistema. En un contexto físico, el escenario común es el de añadir calor a un volumen de gas, y usar la expansión de ese gas para realizar trabajo, como en el caso del empuje de un pistón, en un motor de combustión interna. En el contexto de procesos y reacciones químicas, suelen ser mas comunes, encontrarse con situaciones donde el trabajo se realiza sobre el sistema, mas que el realizado por el sistema.

2.5.2. Sistema cerrado

Un sistema termodinámico (también denominado sustancia de trabajo) se define como la parte del universo objeto de estudio. Un sistema termodinámico puede ser una célula, una persona, el vapor de una máquina de vapor, la mezcla de gasolina y aire en un motor térmico, la atmósfera terrestre, etc.

El sistema termodinámico puede estar separado del resto del universo (denominado alrededores del sistema) por paredes reales o imaginarias. En este último caso, el sistema objeto de estudio sería, por ejemplo, una parte de un sistema más grande. Las paredes que separan un sistema de sus alrededores pueden ser aislantes (llamadas paredes adiabáticas) o permitir el flujo de calor (diatérmicas).

Los sistemas termodinámicos pueden ser aislados, cerrados o abiertos.

• Sistema aislado: es aquél que no intercambia ni materia ni energía con los alrededores.
• Sistema cerrado: es aquél que intercambia energía (calor y trabajo) pero no materia con los alrededores (su masa permanece constante).
• Sistema abierto: es aquél que intercambia energía y materia con los alrededores.

En la siguiente figura se han representado los distintos tipos de sistemas termodinámicos.

A lo largo de estas páginas trataremos los sistemas cerrados.

Cuando un sistema está aislado y se le deja evolucionar un tiempo suficiente, se observa que las variables termodinámicas que describen su estado no varían. La temperatura en todos los puntos del sistema es la misma, así como la presión. En esta situación se dice que el sistema está en equilibrio termodinámico.

Equilibrio termodinámico

En Termodinámica se dice que un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico cuando las variables intensivas que describen su estado no varían a lo largo del tiempo.

Cuando un sistema no está aislado, el equilibrio termodinámico se define en relación con los alrededores del sistema. Para que un sistema esté en equilibrio, los valores de las variables que describen su estado deben tomar el mismo valor para el sistema y para sus alrededores. Cuando un sistema cerrado está en equilibrio, debe estar simultáneamente en equilibrio térmico y mecánico.

Equilibrio térmico: la temperatura del sistema es la misma que la de los alrededores.

Equilibrio mecánico: la presión del sistema es la misma que la de los alrededores

2.6. Naturaleza de la energía almacenada

Es lo que hace funcionar el cosmos, el sideral Universo. La energía es la unidad esencial de la naturaleza. De hecho la vida es la actividad que tiene la materia y está dada por la trasferencia de energía y la transformación a otras formas de la misma.

Está  la energía hidráulica, energía solar, energía eólica, la energía mareomotriz, además la geotérmica,  la de biomasa y la estelar.

Los tipos o formas de energía son:

1.- Energía mecánica: Del trabajo o fuerza

2.- Energía calórica o térmica: De la temperatura

3.- Energía química: De las reacciones químicas

4.- Energía radiante o lumínica: De la luz de fuentes o emisores

5.- Energía eléctrica o electricidad: Del movimiento de electrones a través de un conductor. Se divide a su vez en energía magnética (energía de los imanes), estática y corriente eléctrica.

6.- Energía nuclear: Del núcleo del átomo (hasta ahora de uranio), la más poderosa conocida hasta el momento.

7.- Energía magnética: De los imanes con cargas de electrones, generalmente positivas. 

8.- Energía metabólica: De  los organismos vivos gracias a procesos químicos de oxidación como producto de los alimentos que ingieren.

2.7. Aplicar la primera ley de la termodinámica en diferentes sistemas cerrados, con o sin fricción

Principio Cero

El principio cero de la termodinámica puede expresarse de la siguiente forma:

"Si dos sistemas están en equilibrio térmico de forma independiente con un tercer sistema, deben estar en equilibrio térmico entre sí".

El principio recoge la existencia de un parámetro empírico, la temperatura, que es una propiedad de un sistema, tal que los sistemas en equilibrio térmico tengan la misma temperatura. La ley, como se indica aquí, es compatible con el uso de un cuerpo físico particular, por ejemplo la masa de un gas, para que coincida con la temperatura de otros cuerpos, pero no justifica a la temperatura como una cantidad que se puede medir en números reales.

Aunque esta versión de la ley es una de la más comúnmente mencionada, es solo una de una diversidad de enunciados etiquetados como la ley cero por distintos autores. Algunos enunciados van más allá de manera que proporcione el hecho físico importante de que la temperatura es unidimensional, que conceptualmente se pueden organizar cuerpos en secuencia de números reales del frío al más caliente. Tal vez no exista un único enunciado para la ley cero, porque en la literatura hay una serie de formulaciones de los principios de la termodinámica, cada uno de los cuales requiere una versión apropiada a la ley.

Aunque estos conceptos de temperatura y equilibrio térmico son fundamentales para la termodinámica y se especificaron con claridad en el siglo xix, el deseo de numerar explícita mente la ley anterior no fue hasta que Fowler y Guggenheim lo hicieron en la década de 1930, muchos años después de la primera, la segunda y la tercera ley que ya estaban reconocidas y establecidas amplia-mente. Por lo tanto fue nombrada como la ley cero. La importancia de esta ley como base para las leyes anteriores es que permite la definición de la temperatura en una forma no circular sin hacer referencia a la entropía, su variable conjugada. Tal definición de la temperatura se dice que es "empírica".

Primer Principio

El Primer principio de la termodinámica puede estar establecido de muchas formas:

El incremento de la energía interna de un sistema cerrado es igual al calor suministrado al sistema menos el trabajo hecho por el sistema.

${\displaystyle \Delta U_{sistema}=Q-W}$

Para un ciclo termodinámico de un sistema cerrado, el cual regresa a su estado inicial, el calor que entra Q_entra suministrado al sistema cerrado en una etapa del ciclo, menos el calor Q_sale eliminado en la otra etapa del ciclo, es igual al trabajo neto realizado por el sistema.

${\displaystyle \Delta U_{sistema\,(ciclo)}=0}$, y, por lo tanto ${\displaystyle Q=Q_{entra}-Q_{sale}=W}$

El incremento de la energía interna para un sistema adiabático aislado solo puede ser el resultado del trabajo neto realizado por el sistema, porque Q = 0.

${\displaystyle \Delta U_{sistema}=U_{final}-U_{inicial}=-W}$

Específicamente, la primera ley abarca varios principios:

• La ley de la Conservación de la energía.

Esta establece que la energía no puede ser creada o destruida. Sin embargo, la energía puede cambiar de forma, y puede fluir de un lugar a otro. La energía total de un sistema aislado no cambia.

• El concepto de Energía interna y su relación con la temperatura.

Si un sistema tiene una temperatura definida, entonces su energía total tiene tres componentes distinguibles. Si el sistema está en movimiento como un todo, tiene energía cinética. Si el sistema en su conjunto se encuentra en un campo de fuerza impuesta externamente (por ejemplo la gravedad), tiene energía potencial en relación con un punto de referencia en el espacio. Por último, tiene energía interna, que es una cantidad fundamental para la termodinámica. El concepto de energía interna establecido es el rasgo distintivo característico de la primera ley de la termodinámica.

${\displaystyle E_{total}=\mathrm {KE} _{sistema}+\mathrm {PE} _{sistema}+U_{sistema}}$

Más allá del marco conceptual de la termodinámica, la energía interna puede ser explicada como la suma de las diversas energías cinéticas de los movimientos microscópicos erráticos de sus átomos constituyentes, y de la energía potencial de sus interacciones entre ellos. En condiciones iguales, el total de energía cinética de los movimientos microscópicos de sus átomos constituyentes aumenta a medida que aumenta la temperatura del sistema.

• El Trabajo es un proceso de transferencia de energía hacia o desde un sistema, de manera que se puede describir por fuerzas mecánicas macroscópicas ejercidas por factores fuera del sistema. Algunos ejemplos pueden ser un eje impulsado desde el exterior agitándose dentro del sistema, o un campo eléctrico impuesto externamente polarizando el material del sistema, o un pistón que se comprime. A menos que se indique lo contrario, es habitual tratar al trabajo que se realiza sin disipación en el entorno. Dentro del sistema, en un proceso natural, algo del trabajo transferido es disipado por la fricción interna o la viscosidad. El trabajo realizado por el sistema puede venir de su energía interna, a partir de su energía potencial, o a partir de su energía cinética .

Por ejemplo, cuando una máquina impulsada desde el exterior levanta un sistema, un poco de la energía es transferida de la máquina al sistema. El sistema adquiere su energía en forma de energía potencial gravitacional en este ejemplo.

${\displaystyle -W=\Delta \mathrm {PE} _{sistema}}$

O en general, puede ser repartido en energía cinética, potencial o interna

${\displaystyle -W=\Delta \mathrm {KE} _{sistema}+\Delta \mathrm {PE} _{sistema}+\Delta U_{sistema}}$

• Cuando la materia es transferida, la energía interna asociada y la energía potencial es transferida con ella.

${\displaystyle \left(u_{externa}\,\,\Delta M\right)_{entra}=\Delta U_{sistema}}$

donde u_externa denota la energía interna por unidad de masa de la materia transferida, medida cuando todavía se encuentra en el entorno, antes de ser transferida; y ΔM denota la masa transferida.

• El flujo de calor es una forma de transferencia de energía.

El calentamiento es el proceso natural de transferir energía de un sistema a otro que no sea por trabajo o por transferencia de materia. El paso directo de calor es de un sistema caliente a uno frío.

Si el sistema tiene paredes rígidas impermeables, y no hay campo de fuerza de largo alcance externo que lo afecte, por lo tanto, la energía no puede ser transferida como trabajo dentro o fuera del sistema, entonces:

${\displaystyle \Delta U_{sistema}=Q}$

donde Q denota la cantidad de energía transferida al sistema como calor.

Combinando estos principios nos conduce a un estado tradicional del primer principio de la termodinámica: no es posible la construcción de una máquina que permanentemente tenga un trabajo de salida sin una cantidad igual de entrada a la máquina. O más brevemente, una máquina de movimiento perpetuo de primer tipo es imposible.

Segundo principio

El segundo principio de la termodinámica "La cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse en el tiempo" indica la irreversibilidad de los procesos naturales, y, en muchos casos, la tendencia de los procesos naturales a conducir a la homogeneidad de la materia y energía, y especialmente de la temperatura. Puede ser formulada en una variedad de interesantes e importantes maneras.

Esto implica la existencia de una cantidad llamada entropía de un sistema termodinámico.

Esta declaración del principio reconoce que en la termodinámica clásica, la entropía de un sistema es definida sólo cuando ha alcanzado su propio equilibrio termodinámico interno.

El segundo principio se refiere a una ancha variedad de procesos, reversibles e irreversibles. Todos los procesos naturales son irreversibles. Los procesos reversibles son una ficción teórica conveniente y no ocurren en naturaleza.

Un primer ejemplo de irreversibilidad es en la transferencia de calor por conducción o radiación. Se sabía mucho antes del descubrimiento de la noción de entropía que cuando dos cuerpos, inicialmente con temperaturas diferentes, entran en conexión térmica, el calor siempre fluye del cuerpo más caliente al más frío.

La segunda ley dice, también, sobre los tipos de irreversibilidad aparte de la transferencia de calor, por ejemplo fricción y viscosidad, y las reacciones químicas. La noción de entropía se necesita para disponer el más amplio alcance de la ley.

De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, en una transferencia de calor reversible teórica y ficticia, un elemento de calor transferido, δQ, es el producto de la temperatura (T), tanto del sistema y de las fuentes o destino del calor, con el incremento (dS) de la variable conjugada del sistema, su entropía (S)

${\displaystyle \delta Q=T\,dS\,.}$¹​

La entropía también puede considerarse como una medida física de la falta de información acerca de los detalles microscópicos del movimiento y la configuración del sistema, cuando solo se conocen los datos macroscópicos. La ley afirma que para dos estados macroscópicamente especificados de un sistema, hay una cantidad llamada diferencia de entropía de la información entre ellos. Esta diferencia de entropía de información define la forma en que se necesita la información microscópica adicional tanto para especificar uno de los estados macroscópicamente, dada la especificación macroscópica de la otra - a menudo un estado de referencia convenientemente elegido se puede presuponer que existe en lugar de que se indique expresamente. Una condición final de un proceso natural siempre contiene efectos microscópicamente especificables que no son totalmente y exactamente predecibles a partir de la especificación macroscópica de la condición inicial del proceso. Esta es la razón por la que la entropía incrementa en un proceso natural - el incremento nos dice cómo se necesita mucha información extra microscópica para distinguir el estado microscópicamente final especificado desde el estado inicial macroscópicamente dado.⁶​

Tercer Principio

La tercera ley de termodinámica a veces se indica como sigue:

La Entropía de un cristal perfecto de cualquier sustancia pura se aproxima a cero cuando la temperatura se aproxima al cero absoluto.

A temperatura cero el sistema debe estar en un estado con la energía térmica mínima. Esta afirmación es válida si el cristal perfecto tiene un solo microestado. La entropía está relacionada con el número de posibles microestados de acuerdo con:

${\displaystyle S=k_{\mathrm {B} }\,\mathrm {ln} \,\Omega }$

Donde S es la entropía del sistema, kB la constante de Boltzmann , y Ω el número de microestados (p. ej. configuraciones posibles de átomos). En el cero absoluto es posible sólo un micro-estado (Ω=1 cuando todos los átomos son idénticos para una sustancia pura y como resultado todos los órdenes son idénticos cuando hay sólo una combinación) y ln(1) = 0.

Una forma más general de la tercera ley, que aplica a un sistema como un vidrio, que puede tener más de un mínimo estado de energía microscópicamente distinto, o puede tener un estado microscópicamente distinto que está "congelado" aunque no estrictamente un estado mínimo de energía y no necesariamente hablando de un estado de equilibrio termodinámico, en el cero absoluto:

La entropía de un sistema se acerca a un valor constante cuando la temperatura se acerca a cero.

El valor constante (no necesariamente cero) es llamado la entropía residual del sistema.

Historia

Hacia 1797, el conde Rumford (Benjamin Thompson) mostró que la acción mecánica sin fin puede generar indefinidamente grandes cantidades de calor a partir de una cantidad fija de sustancia de trabajo por lo tanto, desafiando la teoría calórica del tiempo, que sostuvo que habría una cantidad finita de calor calórico / energía en una cantidad fija de sustancia de trabajo. El primer principio termodinámico establecido, que con el tiempo se convirtió en la segunda ley de la termodinámica, fue formulado por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824. En 1860, se formalizó en obras de Rudolf Clausius y William Thomson, dos principios establecidos de la termodinámica habían evolucionado. El primer principio y el segundo, más tarde re-expresado como leyes de la termodinámica. En 1873, por ejemplo, el termodinamicista Josiah Willard Gibbs, en sus memorias Métodos Gráficos en la Termodinámica de Fluidos, establece claramente las dos primeras leyes absolutas de la termodinámica. Algunos libros de texto a lo largo del siglo xx han enumerado las leyes de manera diferente. En algunos campos alejados de la química, solo la segunda ley se consideró para hacer frente a la eficiencia de los motores térmicos, mientras que lo que era llamado la tercera ley abordaba el incremento de la entropía. Definiendo directamente los puntos cero para el cálculo de entropía no se considera que sea una ley. Poco a poco, esta separación se combinó en la segunda ley y la moderna tercera ley fue ampliamente adoptada.

2.8. Primera ley de la termodinámica en diferentes sistemas abiertos operando en estado estable, con o sin fricción

La primera ley de la termodinámica es una generalización de la conservación de la energía en los procesos térmicos. Se basa en la conclusión de Joule de que el calor y la energía son equivalentes. Pero para llegar a ella hay que sortear algunas trampas en el camino.

A partir de la conclusión de Joule podríamos caer en la tentación de llamar al calor energía «interna» asociada con la temperatura. Podríamos entonces agregar calor a las energías potencial y cinética de un sistema, y llamar a esta suma la energía total, que es lo que conservaría. De hecho, esta solución funciona bien para una gran variedad de fenómenos, incluyendo los experimentos de Joule. Los problemas surgen con la idea de «contenido» de calor de un sistema. Por ejemplo, cuando se calienta un sólido hasta su punto de fusión, una “entrada de calor” adicional provoca la fusión pero sin aumentar la temperatura. Con este sencillo experimento vemos que considerar simplemente la energía térmica medida solo por un aumento de temperatura como parte de la energía total de un sistema no dará una ley general completa.

En lugar de «calor», podemos usar el concepto de energía interna, esto es, una energía en el sistema que puede tomar formas no directamente relacionadas con la temperatura. Podemos entonces usar la palabra «calor» para referirnos solamente a una transferencia de energía entre un sistema y su entorno. De forma análoga, el término trabajo no lo utilizaremos para describir algo contenido en el sistema, sino que describe una transferencia de energía de un sistema a otro. Calor y trabajo son, pues, dos formas en las que la energía se transfiere, no energías.

Estas definiciones no permiten una declaración simplista como “la entrada de calor a un sistema aumenta su energía interna, y el trabajo hecho en un sistema aumenta su energía mecánica”. La entrada de calor a un sistema puede tener efectos distintos al aumento de la energía interna. En un máquina de vapor, por ejemplo, la entrada de calor aumenta la energía mecánica del pistón. Del mismo modo, el trabajo realizado en un sistema puede tener efectos distintos al aumento de la energía mecánica. Al frotarnos las manos en un día frío, por ejemplo, el trabajo que hacemos aumenta la energía interna de la piel de las manos lo que, en este caso, se traduce en un aumento de la temperatura.

En resumen, una ley general de conservación de la energía debe incluir la transferencia de energía como trabajo y la transferencia energía como calor. Además, debe incluir el cambio en la energía total del sistema, pero no con una parte «mecánica» y una parte «interna».

En un sistema aislado, esto es, un sistema que no intercambia materia ni energía con su entorno, la energía total debe permanecer constante. Si el sistema intercambia energía con su entorno pero no materia (lo que se llama sistema cerrado), puede hacerlo solo de dos formas: una transferencia de energía bien en forma de trabajo realizado sobre o por el sistema, bien en forma de calor hacia o desde el sistema. En el caso de que exista transferencia de energía, el cambio en la energía del sistema debe ser igual a la energía neta ganada o perdida por el entorno.

Formalmente*, llamemos W al trabajo realizado sobre o por el sistema (como el cilindro en una máquina de vapor). Si el trabajo lo realiza el sistema, diremos que W es negativo; si el trabajo se realiza sobre el sistema, diremos que W es positivo. De forma similar, llamemos ΔQ a la transferencia neta de calor hacia o desde el sistema. Si la transferencia neta de calor es hacia el sistema, ΔQ será positiva; si la transferencia neta sale del sistema, ΔQ será negativa.

Ya lo tenemos todo para enunciar la primera ley de la termodinámica:

La primera ley de la termodinámica establece que el cambio en la energía total de un sistema cerrado, ΔE, viene dado por la suma del trabajo realizado sobre o por el sistema y la transferencia neta de calor hacia o desde el sistema. Simbólicamente, ΔE = W + ΔQ.

Esta expresión general incluye como casos especiales las versiones preliminares de la ley de conservación de la energía que hemos dado en entregas anteriores de esta serie. Si no hay transferencia de calor en absoluto, entonces ΔQ = 0, y ΔE = W. En este caso, el cambio en la energía de un sistema es igual al trabajo realizado sobre o por él. Por otra parte, si no se realiza trabajo ni sobre ni por el sistema, entonces W = 0 y ΔE = ΔQ. En este caso el cambio en la energía del sistema es igual a la transferencia neta de calor.

Esta ecuación tan sencilla es de una utilidad tremenda. Pero, si bien hemos enunciado la primera ley, aún queda un misterio por resolver, que es la estructura de esa energía interna de la que, de momento, solo sabemos que en algunos casos está relacionada con la temperatura y cómo se relaciona con la energía total del sistema. Lo veremos más adelante en esta serie, cuando tengamos la necesidad de introducir el concepto de átomo. Algo que, hasta ahora, no nos ha hecho falta.

Nota:

* Este criterio de signos es importante, ya que varía en función del autor. Nosotros empleamos el criterio más intuitivo, a saber, tomar al sistema como referencia. Por tanto, lo que recibe el sistema es positivo y aumenta su energía total y lo que sale del sistema es negativo y la disminuye. Si usas este texto como apoyo en tus clases comprueba que el criterio de signos es el mismo.

2.9. Máquina térmica y por eficiencia

El rendimiento o eficiencia de una máquina térmica es la relación entre la energía que deseamos obtener de dicha máquina (trabajo realizado) y la energía consumida en su funcionamiento  (energía suministrada).

En los automóviles, el rendimiento oscila entre el 20-25 % de la energía suministrada. Es decir el 75% de la energía suministrada se libera a la atmósfera en forma de calor.

2.10. Refrigerador y por coeficiente de funcionamiento

El coeficiente de rendimiento (COP), es una expresión de la eficiencia de una bomba de calor. Cuando se calcula el COP de una bomba de calor, se compara la salida de calor del condensador (Q) con la potencia suministrada al compresor (W). 

Se puede utilizar la fórmula de la derecha para calcular el COP. 

En otras palabras, el COP se define como la relación entre la potencia (kW) que sale de la bomba de calor como refrigeración o calor, y la potencia (kW) que se suministra al compresor.

Por ejemplo: 

Una determinada bomba de calor que se utiliza para la refrigeración del aire tiene un COP = 2. Esto significa que se logran 2 kW de potencia de refrigeración por cada kW de potencia consumida por el compresor de la bomba.
El COP se indica sin unidades. Por tanto, durante el cálculo del COP se utilizan las mismas unidades para el calor producido y la potencia suministrada.

Para los refrigeradores se define el coeficiente de desempeño (COP_R) según el mismo principio que para las máquinas térmicas siendo “lo que se saca” el calor Q_in que se extrae del foco frío y “lo que cuesta” el trabajo W_in necesario para ello

A diferencia del rendimiento de una máquina térmica, el coeficiente de desempeño puede ser mayor que la unidad (normalmente lo es, de hecho).

Dado que refrigeradores y bombas de calor operan en ciclos, el coeficiente de desempeño puede definirse en términos de los flujos de calor y trabajo

donde cada flujo se calcula dividiendo el calor o trabajo intercambiados en un ciclo dividido por el periodo de éste.

En el diseño de refrigeradores se suele usar como unidad la frigoría (fg), definida como 1 kcal (= 4186 J) de calor extraído. También, como unidad de potencia, se usa la frigoría/hora (fg/h), llamada erróneamente como frigoría a secas, que nos da el flujo de calor extraído.

2.11. Bomba de calor

Rendimiento de una bomba de calor

La cantidad de calor que se trasiega depende de la diferencia de temperatura entre los focos caliente y frío. Cuanto mayor sea ésta diferencia, menor será el rendimiento del proceso.

Las bombas térmicas presentan un rendimiento, denominado COP (coefficient of performance, coeficiente de operación) que es adimensional y mayor que la unidad. Al igual que ocurría en las máquinas frigoríficas esto puede parecer una contradicción respecto a lo que siempre hemos estudiado acerca del rendimiento, sin embargo no lo es. El hecho de qu el rendimiento sea mayor a la unidad es debido a que en realidad se está transfiriendo calor usando energía, en vez de producir calor como el que se obtiene por efecto Joule en las resistencias eléctricas.

En las bombas de calor se cumple que el calor transmitido al foco caliente es la suma del calor extraído del foco frío, más la energía que absorbe el compresor durante el proceso.

Dependiendo de la función que desempeñe la bomba de calor, hay dos expresiones para calcular el COP.

Como refrigerador para enfriar un ambiente, el efecto útil es el calor extraído del foco frío.

El objetivo de un refrigerador es extraer la mayor cantidad posible de calor de un foco frío empleando la menor cantidad de trabajo posible.

Como calefactor, para caldear un ambiente, el efecto útil es el calor introducido en el foco caliente:

Según la diferencia de temperatura entre los focos frío y caliente el valor del COP oscila entre dos y seis.

2.12. Coeficiente de funcionamiento para una máquina

 Es un aparato que opera  continuamente o cíclicamente y ejecuta una cierta cantidad de trabajo como resultado de la transferencia de calor de una fuente de alta temperatura a otra de temperatura baja.

        La máquina térmica permite obtener un sistema que opera en un ciclo con un trabajo positivo y una transmisión de calor positiva.

     

Fig. 2.21. Máquina Térmica.

La Figura 2.21 corresponde a un esquema de la central eléctrica de vapor la cual se encaja en la definición de máquina térmica. El esquema es bastante simplificado y el estudio de las centrales eléctricas de vapor reales, se estudia en el punto correspondiente al ciclo Rankine. Las diferentes cantidades que muestra la Figura 2.21 son:

Q_H:    cantidad de calor suministrada al vapor en la caldera desde una fuente de alta temperatura (quemador de la caldera)

Q_L:    cantidad de calor liberado del vapor en el condensador en un sumidero de baja temperatura (agua de enfriamiento)

W_T:    cantidad de trabajo entregado por el vapor cuando se expande en la turbina.

W_B:    cantidad de trabajo requerido para comprimir el agua a la presión de la caldera.

2.13. Transferencia de energía por calor, trabajo y masa.

Transferencia de exergía por Calor, Q

El calor es una forma de energía desorganizada y sólo una porción de él puede convertirse en trabajo, que es una forma de energía organizada. Es posible producir trabajo a partir de calor a una temperatura superior a la temperatura ambiente, transfiriéndolo a una máquina térmica que rechaza hacia el ambiente el calor de desperdicio.

Esta relación da la trasferencia de exergía que acompaña la transferencia de calor de Q siempre que T sea mayor o menor que To.

Cuando T > To, aumenta la exergía y la transferencia de calor disminuye.

Cuando T< To, disminuye la exergía y la transferencia de calor aumenta.

Cuando T= To, la exergía transferida debido al calor es cero.

Observe que la transferencia de calor debida a una diferencia finita de temperatura es irreversible, y como resultado genera una entropía. La generación de entropía siempre está acompañada por la destrucción de la exergía.

Transferencia de exergía por Trabajo, W

La exergía es el potencial de trabajo útil, y la transferencia de exergía por trabajo puede expresarse simplemente como:

En el caso de un sistema que involucra trabajo de frontera, como un dispositivo cilindro-émbolo, el trabajo realizado para empujar el aire atmosférico durante la expansión no puede transferirse, entonces debe retirarse.

Transferencia de exergía por Masa, m

La masa contiene exergía, así como energía y entropía; las tasas que proporcionan transportación de exergía hacia dentro o fuera del sistema son proporcionales al flujo másico.

El flujo másico es un mecanismo para transportar exergía, entropía y energía dentro o fuera de un sistema

·         Observe que la transferencia de calor por calor Xcalor, es cero para los sistemas adiabáticos

·         La transferencia de exergía por masa Xmasa, es cero para los sistemas que no involucran flujo másico a través de la frontera.

·         La transferencia de exergía total es cero para los sistemas aislados puesto que no involucran transferencia de calor, trabajo y masa.

2.14. Transferencia de calor.

Transferencia de Calor

La transferencia de calor se produce normalmente desde un objeto con alta temperatura, a otro objeto con temperatura mas baja. La transferencia de calor cambia la energía interna de ambos sistemas implicados, de acuerdo con la primera ley de la Termodinámica.

Transferencia de energía por trabajo.

La energía 

El concepto de energía caracteriza la capacidad de los sistemas para cambiar las propiedades de otros sistemas, o las suyas propias. Mientras mayor sea el cambio producido, mayor será la energía puesta en juego.

Los mecanismos de transferencia de energía son procesos por los cuales se transfiere energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.

La energía, en su proceso de transformación y transferencia, va manifestándose de una forma a otra, originando así lo que hoy en día constituye nuestro desarrollo científico y tecnológico, comprendiéndose que ella desempeña un papel primordial en la vida del hombre.

La Energía y sus formas de transferencia

La energía que se transfiere de un cuerpo a otro se denomina calor. No es correcto afirmar que el calor se encuentra almacenado en los cuerpos, lo que está almacenado en ellos es la energía, es decir, calor es la energía que se transfiere de un cuerpo a otro o de un sistema a otro. Los cambios en el proceso de transferencia de energía se llevan a cabo en unas temperaturas superiores a varios miles de Kelvin.

Las formas de Transferir la energía son:
✓ El Trabajo
✓ El Calentamiento o Calor
✓ Y la radiación

Transferencia de Energía por Trabajo

La forma de transferencia de energía común para todas las ramas de la física -y ampliamente estudiada por éstas- es el trabajo.

Dependiendo de la delimitación de los sistemas a estudiar y del enfoque considerado, el trabajo puede ser caracterizado como mecánico, eléctrico, etc. pero su característica principal es el hecho de transmitir energía y que, en general, la cantidad de energía transferida no depende solamente de los estados iniciales y finales, sino también de la forma concreta en la que se lleven a cabo los procesos.

Para la realización de sus labores, el hombre primitivo empleaba herramientas simples (hacha, arco y flecha, arado, etc.) y la fuerza de sus músculos. Después, hace unos 5 000 años, comenzó a utilizar la fuerza ejercida por animales. Se estima que a mediados del siglo XIX, más del 90 % del trabajo aún era realizado por hombres y animales. Luego, para aplicar fuerzas empezó a valerse cada vez más ampliamente de máquinas que emplean combustibles, como las de vapor y los motores de combustión. Por consiguiente, históricamente el trabajo estuvo vinculado con la utilización de energía –ya sea de hombres, animales o combustibles – y la aplicación de fuerzas. Esta noción de trabajo se extendió a la ciencia.

Trabajo es el proceso en el cual se transforma y transmite energía mediante la aplicación de fuerzas.

Es necesario aclarar que desde el punto de vista de la ciencia, se realiza trabajo no solo cuando el hombre, directamente o valiéndose de animales y máquinas, origina transformaciones de energía a fin de producir algo. Igualmente se realiza durante la caída de un cuerpo desde cierta altura, o cuando en un televisor, los electrones son acelerados hacia su pantalla. En estos casos también se transforma o transmite energía por medio de la aplicación de fuerzas.

Es necesario aclarar que desde el punto de vista de la ciencia, se realiza trabajo no solo cuando el hombre, directamente o valiéndose de animales y máquinas, origina transformaciones de energía a fin de producir algo. Igualmente se realiza durante la caída de un cuerpo desde cierta altura, o cuando en un televisor, los electrones son acelerados hacia su pantalla. En estos casos también se transforma o transmite energía por medio de la aplicación de fuerzas.

Transferencia de Energía por Calentamiento o Calor

Desde épocas muy remotas, para producir cambios, los hombres utilizaron no solo fuerzas, sino también el calentamiento, en particular mediante el fuego, primero para cocinar los alimentos y más tarde para forjar y fundir metales. Posteriormente, el calentamiento ha sido empleado para realizar trabajo con ayuda de máquinas de vapor y turbinas de vapor.

El calor es la forma de transferencia de un tipo de energía particular, propiamente termodinámica, que es debida únicamente a que los sistemas se encuentren a distintas temperaturas (es algo común en la termodinámica catalogar el trabajo como toda trasferencia de energía que no sea en forma de calor)

Es común, pero erróneo, pensar que la materia contiene calor. La materia contiene energía en diversas formas, pero no contiene calor. El calor es energía que pasa de un cuerpo de cierta temperatura a otro de temperatura menor. El lenguaje común confunde todavía calor y temperatura. Por ejemplo, la expresión "hace mucho calor" significa realmente que la temperatura (del aire) es elevada.

El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.

✓ Convección: La transferencia de energía por conducción implica que la energía se transfiere de una molécula a otra. La energía se desplaza, pero las moléculas no. Otra forma de transferir energía es que la sustancia se desplace. El aire que está en contacto con una estufa caliente asciende y calienta las regiones superiores. El agua que se caliente en una caldera situada en el sótano se eleva hasta los radiadores de los pisos superiores. Éste es el fenómeno de la convección, en el que el calentamiento se lleva a cabo por corrientes en un fluido.

✓ Radiación: La energía del Sol puede atravesar la atmósfera y calentar la superficie de la Tierra. Esta energía no se transfiere a través de la atmósfera por conducción, pues el aire es uno de los peores conductores. Tampoco se transfiere por convección, pues esto es imposible en el espacio vacío, si la conducción y la convección son imposibles, la energía debe estar transmitiéndose por otro proceso. Este proceso se llama radiación.

✓ Conducción: La conducción de calor es un mecanismo de transferencia de energía térmica entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas sin flujo neto de materia y que tiende a igualar la temperatura dentro de un cuerpo y entre diferentes cuerpos en contacto por medio de ondas. La conducción del calor es muy baja en el espacio, ultra alto en el vacío y es nula en el espacio vacío ideal, espacio sin energía. El principal parámetro dependiente del material que regula la conducción de calor en los materiales es la conductividad térmica, una propiedad física que mide la capacidad de conducción de calor o capacidad de una substancia de transferir el movimiento cinético de sus moléculas a sus propias moléculas adyacentes o a otras substancias con las que está en contacto. La inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.

Transferencia de Energía por Radiación

La tercera vía mediante la cual se transfiere energía de un cuerpo a otro, es la radiación. Ella es emitida en un lugar y absorbida en otros. A diferencia del trabajo y el calentamiento, la transmisión de energía por radiación no requiere que los cuerpos entren en contacto directo o que se comuniquen mediante algún otro cuerpo.

Toda energía que se transmite por radiación, incluyendo la energía térmica se llama energía radiante. La energía radiante se presenta en forma de ondas electromagnéticas. La energía radiante comprende las ondas de radio, las microondas, la radiación infrarroja, la luz visible, la radiación ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma.

Todos los cuerpos que nos rodean, constantemente están emitiendo y absorbiendo radiaciones, fundamentalmente infrarrojas y luminosas.

Energía Alternativa

Es aquella que tiene un menor efecto contaminante o por su posibilidad de renovación y se ha diseñado para sustituir a las energías o fuentes energéticas actuales. Existen varios tipos de energía alternativa:

1. Eólica: que es la energía cinética o de movimiento que contiene el viento, y que se capta por medio de aerogeneradores o molinos de viento. 


2. Hidráulica: consistente en la captación de la energía potencial de los saltos de agua, y que se realiza en centrales hidroeléctricas. 

3. Mareomotriz: que se obtiene de las mareas (de forma análoga a la hidroeléctrica). 

4. Undimotriz: a través de la energía de las olas.

5. Solar: recolectada de forma directa en forma de calor a alta temperatura en centrales solares de distintas tipologías, o a baja temperatura mediante paneles solares domésticos, o bien en forma de electricidad utilizando el efecto fotoeléctrico mediante paneles fotovoltaicos. 

6. Geotérmica: producida al aprovechar el calor del subsuelo en las zonas donde ello es posible. 

7. Biomasa: por descomposición de residuos orgánicos, o bien por su quema directa 

Clasificación de las fuentes de energía

Para clasificar las distintas fuentes de energía se pueden utilizar varios criterios:

a.   Según sean o no renovables.

b.   Según su grado de disponibilidad: convencionales o en desarrollo.

c.    Según sea la forma de su utilización. Energías primarias o utilizadas directamente y energías secundarias o finales que son aquellas que han sufrido un tipo de transformación anterior a su uso, como la electricidad.

a.   Llamaremos fuentes de energía renovables a aquellas cuyo potencial es inagotable por provenir de la energía que llega a nuestro planeta de forma continua como consecuencia de la radiación solar o de la atracción gravitatoria de otros planetas de nuestro sistema solar. Son la energía solar, eólica, hidráulica, mareomotriz y la biomasa. Las fuentes de energía no renovables son aquellas que existen en una cantidad limitada en la naturaleza. La demanda mundial de energía en la actualidad se satisface en un 94% con este tipo de fuentes: carbón, petróleo, gas natural y uranio.

b.   Si atendemos al segundo criterio de clasificación, llamaremos fuentes de energía convencionales a aquellas que tienen una participación importante en los balances energéticos de los países industrializados. Es el caso del carbón, petróleo, gas natural, hidráulica y nuclear. Por el contrario, se llaman fuentes de energía no convencionales, o nuevas fuentes de energía, a las que por estar en una etapa de desarrollo tecnológico en cuanto a su utilización generalizada, no cuentan con participación apreciable en la cobertura de la demanda energética de esos países. Es el caso de la energía solar, eólica, mareomotriz y biomasa.

c.    Según sea su utilización las fuentes de energía las podemos clasificar en primarias y secundarias. Las primarias son las que se obtienen directamente de la naturaleza, como el carbón, petróleo y gas natural

Ciclo de energía

La energía no es nada más ni nada menos que la capacidad de hacer un trabajo. La energía "visible" del universo tiene solamente dos orígenes: Las reacciones de fusión de dos átomos de hidrógeno en el núcleo de las estrellas, o la fisión de elementos pesados en el interior de cuerpos celestes no masivos (es decir, planetas y planetoides). Ambos procesos son, en teoría, replicables por el hombre. 
En nuestro planeta casi toda la energía proviene de nuestro sol. Él pone en movimiento casi toda la maquinaria de la tierra y de la vida. Las nubes, el viento, la fotosíntesis de las plantas, el agua líquida, todos, son posibles gracias a la energía que nos llega del sol en forma de un amplio espectro de radiaciones electromagnéticas y de flujos de materia. Un pequeño porcentaje de la energía que circula por nuestro planeta proviene de la fisión de los elementos pesados en su interior. Las erupciones volcánicas, las aguas termales y los geiseres tienen este origen. 
Al final, toda la energía se degrada en forma de calor y escapa al espacio exterior.

La energía no se crea ni se destruye solo se transforma.

• La energía es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la natualeza.
• La energía de manifiesta en los cambios físicos, por ejemplo; al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo.
• La energía está presente también en los cambios químicos, como al quemar trozo de madera o en la descomposición de agua mediante la corriente eléctrica.

Aquí veremos los distintos tipos de energía y lo que es la energía.

Cambio de energía de un sistema.

Ya has visto que existe una relación entre el trabajo y la energía. De hecho, el trabajo es una forma de transferir energía de un cuerpo a otro.

Así, si realizas un trabajo sobre un cuerpo, por ejemplo al empujar una caja sobre un plano horizontal, ese trabajo se invierte en aumentar la energía cinética de la caja, que se mueve a mayor velocidad.

¿Y si subes la caja verticalmente a velocidad constante? Entonces aumentas su energía potencial.

Si es el cuerpo el que realiza el trabajo, está transfiriendo energía a otro cuerpo. Piensa en dos patinadores y en cómo varían su energía cinética cuando chocan: un patinador disminuye su velocidad y el otro la aumenta.

Trabajo y energía potencial

Si sobre un cuerpo de masa m aplicas una fuerza igual a su peso dirigida verticalmente hacia arriba entonces lo haces subir a velocidad constante (¡como la fuerza total es nula, la aceleración también lo será!). Si su altura se incrementa en h metros, desde una altura inicial h_o a una altura final h_f, el trabajo realizado será:

W = F d = mgΔh = mg(h_f - h_o) = mgh_f - mgh_o= E_p,f - E_p,o = ΔE_p

Es decir, el trabajo realizado por una fuerza sobre el cuerpo es igual a la variación de la energía potencial gravitatoria del cuerpo.

Trabajo y energía cinética

Pero si la fuerza aplicada sirve solamente para aumentar la velocidad del objeto, entonces estás aumentando su energía cinética. ¿Qué relación hay entre el trabajo realizado por la fuerza y la energía cinética?

Fíjate en la demostración siguiente. Lo realmente importante es la conclusión que se alcanza, pero debes darte de cuenta de que se trata simplemente de relacionar adecuadamente expresiones que ya conoces.

A partir de las ecuaciones de la cinemática

v_f = v_o+ at              x = x_o + v_ot + ½ at²

puedes obtener que

siendo d=x-x_o el espacio recorrido por el móvil, durante el cual se está aplicando la fuerza F.

Si tienes en cuenta la ley fundamental de la dinámica, F = ma , sustituyes la aceleración en la ecuación anterior y despejas el valor de F resulta que:

Balance de energía para sistemas cerrados.

https://prezi.com/lhqr_cw9xgrl/balance-de-energia-en-sistemas-cerrados/

 Balance de energía para sistemas de flujo estable.

https://es.slideshare.net/gerardito8/balances-de-energia

Balance de energía para procesos de flujo no estable.

https://prezi.com/sdwdemrpsw9d/balance-de-energia-para-procesos-de-flujo-no-estable/