Termodinamica. Sesión : 2 Energía, trabajo, calor, potencia y ley cero de la termodinámica.

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Es importante darse cuenta que el concepto termodinámico de energía se deriva estrictamente de la primera ley de la termodinámica: “la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma”.

Cuando un combustible arde en el aire, la energía química del combustible se transforma en otra forma de energía que suele denominarse calorífica o térmica.

Ninguno de estos términos resulta verdaderamente apropiado en termodinámica, por tanto, en esta ciencia se usa el término energía interna en lugar de los dos anteriores para hablar de la energía que un sistema posee en virtud de su estado termodinámico.

La energía se manifiesta en varias formas, entre ellas:

[pic 10]

Todas las formas de energía pueden convertirse en otras formas mediante los procesos adecuados. En el proceso de transformación puede perderse o ganarse una forma de energía, pero la suma total permanece constante.

La unidad de la energía en el SI es la misma que la del trabajo y el calor, se mide en Joules (J). Se define como la fuerza de 1 N que actúa a lo largo de un desplazamiento de 1 m (en la dirección de la fuerza).

En otras palabras:

1 Joule = 1 N * m

Hay dos diferentes sistemas de unidades del sistema inglés para:

La energía, la que se refiere al trabajo mecánico, que incluye las energías cinética y potencial, se miden en lbf * ft;

La que refiere a los efectos de calentamiento, se miden en BTU (Unidad Térmica Británica).

1 BTU = 778.16 lbf * ft

Al trabajar con ecuaciones que implican las unidades del sistema inglés para energía y otras cantidades como el trabajo y el calor, se debe tener especial cuidado en asegurar que las unidades para los diversos términos en las ecuaciones sean consistentes.

Conversión de unidades de energía termodinámica

Un sistema termodinámico recibe 65 Btu, en forma de calor, se pierden 8 Btu a través de las paredes del sistema, el sistema realiza, 5 Btu como trabajo de frontera (movimiento del émbolo).

El balance de energía indica que hubo un cambio de 52 Btu. Convierta este valor a:

a) kJ

b) Lbf-ft

Factores de conversión

1 Btu = 778.16 Lbf-ft

1 Btu = 1.055 kJ

Procedimiento:

Se ponen los 52 Btu y se multiplican por el factor de conversión, por último, se dividen entre 1 Btu, que es la equivalencia.

[pic 11][pic 12]

[pic 13]

Lo mismo se hace para convertir a Lbf-ft

[pic 14][pic 15]

[pic 16]

1.3 Tipos de energía

Como se vio con anterioridad la energía puede manifestarse de diferentes maneras:

- Energía térmica y calor

- Energía eléctrica

- Energía química

- Energía nuclear

- Energía mecánica

Según sea el proceso, los tipos de energía son:

- Energía térmica y calor

Es una forma de energía que proviene de otros tipos de energía. Todo lo que hay en el ambiente está compuesto por partículas muy pequeñas llamadas moléculas, que siempre están en movimiento y no se perciben a simple vista.

El calor está directamente relacionado con el movimiento, es decir, el movimiento genera calor.

Por lo tanto, a energía térmica se debe al movimiento de las partículas que constituyen la materia. (Portal Educativo, 2011)

- Energía eléctrica

La energía eléctrica es producida por una gran diversidad de fuentes, pero todas ellas, tienen algo en común, utilizan conductores de cargas eléctricas (electrones), es decir, alambre de cobre, [pic 17]

Por ejemplo; se requiere un campo magnético, y movimiento.

Lo anterior está especificado por la Ley de Faraday, que indica que, “el movimiento relativo entre un conductor y un campo magnético”, genera una FEM, llamada FEM inducida.

Entonces para producir energía eléctrica, se requieren otras fuentes de energía, como la energía eólica (movimiento del aire), energía hidráulica (obtenida de grandes caídas de agua), se utiliza también la energía luminosa del sol (en la celdas solares o fotovoltaicas), se utiliza la energía química, en las plantas de luz, o plantas de emergencia, al quemar un combustible fósil, como la gasolina o Diesel.

Entonces, la energía eléctrica es causada por el movimiento de las cargas eléctricas en el interior de los materiales conductores.

Esta energía produce, entre otros, 3 efectos: luminoso, térmico y magnético.

Ejemplo: La transportada por la corriente eléctrica en nuestras casas y que se manifiesta al encender una lámpara o foco.

- Energía química

Es la energía acumulada en los alimentos y en los combustibles. Se produce por la transformación de sustancias químicas que contienen los alimentos o elementos, posibilita mover objetos o generar otro tipo de energía.

[pic 18]

Ejemplo de ello es la energía química de la gasolina, que al quemarla, esta se convierte en calor y en impulso mecánico que mueve al automóvil.

- Energía nuclear

Es la energía almacenada en el núcleo de los átomos y que se libera en las reacciones nucleares de fisión y de fusión.

Ejemplo