2144119_CLASE 09. Primera ley de la termodinámica

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TERMODINÁMICA I Clase 9: Primera ley de la termodinámica Profesora:

PhD. Liliana Castro Molano 1

CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA

La energía no se crea, no se destruye, la energía se transforma La ley puede escribirse mediante una ecuación llamada BALANCE.

Los balances hacen parte de nuestra vida diaria y los aplicamos, por ejemplo, en el caso del dinero. $ 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 − $ 𝑠𝑎𝑙𝑒 = $ 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎 2

En el caso de la energía, sucede la mismo.

BALANCE DE ENERGÍA 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 − 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎𝑠𝑎𝑙𝑒 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎 La energía está contenida en los cuerpos, por ejemplo, agua a 80°C y se calienta a 150°C. ¿Cuánta energía se tiene al final? No puedo saberlo porque depende de la masa.

“TODO BALANCE DE ENERGÍA REQUIERE UN BALANCE DE MASA”

3

BALANCE DE MASA 𝑀𝑎𝑠𝑎𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 − 𝑀𝑎𝑠𝑎𝑠𝑎𝑙𝑒 = 𝑀𝑎𝑠𝑎𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎 𝑚𝑒 − 𝑚𝑠 = 𝑚2 − 𝑚1

me Sistema

ms

Ze

Zs

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TERMODINÁMICA – Balance de ENERGÍA

E i = (Energía interna) entra

Trabajo = W

E k = (Energía cinética) entra

Energía Energía sistema inicial final

E p =(Energía Potencial) entra E F = (energía de flujo) entra

(Energía interna) sale

Ze

(Energía cinética) sale Calor = Q

Zs

(Energía Potencia) sale E F = (energía de flujo) sale

Energía que entra

-

Energía que sale

=

Energía acumulada

TERMODINÁMICA – Balance de ENERGÍA Trabajo = W

E. INTERNA = me*ue E. Trabajo FLUJO = me*ve*Pe

Masa m12 m cambiante

E. CINÉTICA = 1/2 me*2

= ms*us

E. TRABAJO FLUJO = ms*vs*Ps

E. POTENCIAL = me*g*ze

Ze

E. CINÉTICA = 1/2 ms*2 Calor = Q

Energía que entra

E. INTERNA

-

Zs

Energía que sale

Q-

E. POTENCIA = ms*g*zs

=

Energía acumulada

https://www.youtube.com/watch?v=LQT-KUa5ei0

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¿Para que sirven los conceptos de la primera ley de la termodinámica? Generación de energía

Para estudiar los sistemas se requiere:

1. Definir el sistema 2. Características. a) b) c) d) e)

Masa (abierto/cerrado) Limites (móvil/fijos) W Q Tipo de operación (E.E./E.I.)

3. Balance de masa m2=m1 4. Balance de energía

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Aplicación primera ley de la termodinámica Vapor de agua 3 MPa; 400°C

Vapor de agua 3 MPa; 400°C

Vtanque= 0,23 m3

Pfinal = ? Q=?

Un tanque vacío, al que por un accidente se le ha estropeado el 33% de su material aislante, se conecta a un ducto que conduce vapor de agua a 3 MPa y 400°C. Se permite la entrada del vapor al tanque hasta alcanzar el equilibrio. ¿Qué significa alcanzar el equilibrio ? Alcanzar igualdad de presiones y temperaturas.

→ ¿Cómo lo obtengo? → Leyendo tablas. → ¿Cómo lo obtengo? → Balance de energía

LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA 11

1. Sistema: Vapor de agua 2. Características del sistema: a) b) c) d) e)

Masa: Abierto Limites: Fijos W=0 Q=? Tipo de operación: E.I.

3. Balance de masa: 𝑚2 = 𝑚1 3. Balance de energía: 𝑚𝑒 ℎ𝑒 − 𝑚𝑠 ℎ𝑠 + 𝑄 − 𝑊 = 𝑚2 𝑢2 − 𝑚1 𝑢1 𝑄 = 𝑚2 𝑢2 − 𝑚𝑒 ℎ𝑒

ℎ𝑒

Pi = 3 MPa Ti = 400°C

𝑢2

Pf = 3 MPa Tf = Ambiente 12

Aplicación primera ley de la termodinámica Masa= 12 lbm CH4 T= 180°F CH4

P= 500 psi

V= 8 ft3 v= 8 ft3/12 lbm = 0,66 ft3/lbm

Se abre la válvula y se permite el flujo hasta el equilibrio en presión, se transfiere calor del sistema a los alrededores P = 14,7 psi T = 80°F. - Tanque aislado: solo presión cambia. - Tanque sin aislar: P y T cambia. 13

1. Sistema: CH4

2. Características del sistema: a) b) c) d) e)

Masa: Abierto Limites: Fijos W = 0 ; v cte Q≠ 0 Tipo de operación: E.I. las propiedades termodinámicas (P y T) cambian con el tiempo. El estado termodinámico cambia porque cambia una variable (la presión).

3. Balance de masa:

𝑚𝑒 − 𝑚𝑠 = 𝑚2 − 𝑚1

𝑚2 − 𝑚1 = 𝑚𝑠

3. Balance de energía: Ep = 0, Ek = 0 𝑚𝑒 ℎ𝑒 − 𝑚𝑠 ℎ𝑠 + 𝑄 − 𝑊 = 𝑚2 𝑢2 − 𝑚1 𝑢1

𝑄 = 𝑚2 𝑢2 − 𝑚1 𝑢1 + 𝑚𝑠 ℎ𝑠

hs = f(T,P) se requiere una ecuación para simplificar los cálculos, lo dejamos:

ℎ1 + ℎ2 ℎ𝑠 = 2 14