Transferencia de energía y análisis de energía, parte2
Termodinámica I 2012
Mecanismos de transferencia de energía
La energía se puede transferir hacia o desde un sistema en tres formas:
- Calor - Trabajo - Flujo másico
Las interacciones de energía se reconocen en las fronteras del sistema cuando lo cruzan, y representan la energía que gana o pierde un sistema durante el proceso.
2 - Hacia un sistema (ganancia de
calor)
Incrementa la energía de las moléculas y por lo tanto la del sistema.
- Desde un sistema (pérdida de calor)
Disminuye, ya que la energía transferida como calor viene de la energía de las moléculas del sistema.
2. Transferencia de trabajo, W
Una interacción de energía que no es causada por una diferencia de temperatura entre un sistema y sus alrededores es trabajo.
Ejemplos: un embolo ascendente, un eje rotatorio y un alambre eléctrico que cruzan la frontera del sistema se relacionan con interacciones de trabajo
La transferencia de trabajo a un sistema ( trabajo realizado sobre un sistema) incrementa la energía de este.
Transferencia de trabajo desde un sistema (trabajo realizado por el sistema) disminuye, puesto que la energía transferida como trabajo viene de la energía contenida en le sistema.
Ejemplo: los motores de automóviles y las turbinas hidráulicas de vapor o gas producen trabajo
Compresores, las bombas y los mezcladores consumen trabajo
El flujo que entra y sale del sistema funciona como un mecanismo adicional de transferencia de energía.
3. Flujo másico
Cuando entra masa a un sistema, la energía de éste aumenta debido a que la masa lleva consigo energía.
Cuando una cantidad de masa sale del sistema, la energía disminuye, porque la masa que sale saca lago consigo.
4 La energía puede ser transferida en las formas de calor,
trabajo y masa, y su transferencia neta es igual a la diferencia entre las cantidades hacia dentro y hacia fuera el balance energía se expresa de la siguiente manera:
- La transferencia de calor Q es cero para sistemas adiabáticos,
- la transferencia de trabajo W es cero para sistemas en los que no interviene interacciones de trabajo,
- el transporte de energía con E masa es cero para sistemas sin flujo másico a través de sus limites (sistemas cerrados)
Problema 1. Un recipiente rígido contiene un fluido caliente que se enfría mientras es agitado por una rueda de paletas.
Al inicio, la energía interna del fluido es de 800 KJ de calor, pero durante el proceso de enfriamiento pierde 500 KJ. Por su parte, la rueda produce 100 KJ de trabajo sobre el fluido.
Determine la energía interna final del fluido e ignore la energía almacenada en la rueda de paletas.
Problema 2. Una habitación se encuentra inicialmente a la temperatura ambiente de 25ºC, pero se enciende un ventilador que consume 200W de electricidad cuando esta funcionando.
La tasa de transferencia de calor entre el aire de la habitación y el exterior se da como, donde U= 6 W/m2ºC que representa el coeficiente de transferencia global, mientras, A= 30 m2 es la superficie expuesta de la habitación, Ti y T0 son las temperaturas del aire en el interior y el exterior, respectivamente. Determine la temperatura del aire en el interior cuando se establecen condición de operación estacionaria.
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( i 0) Q UA T T
Problema 3. Para iluminar un salón de clases se utilizaron 30 lámparas fluorescentes, cada una con un consumo de 80 W (por 12 horas) de electricidad. Las luces se mantienen encendidas durante 12 horas al día y 250 días por año. Para un costo de electricidad de 7 centavos por kWh, determine el costo anual de energía y explique los efectos que la iluminación tendrá sobre la calefacción y el sistema de aire acondicionado del salón de clases.
6 Eficiencia en la conversión de energía
Eficiencia indica qué tan bien se realiza un proceso de conversión o transferencia de energía.
El desempeño o eficiencia se expresa en términos de la salida deseada y la entrada requerida de la siguiente manera:
Salida deseada Desempeño
Salida requerida
Eficiencia de un calentador de agua se define como la relación entre la energía que el agua caliente entrega a la casa y la energía suministrada al calentador de agua
Por lo general la eficiencia de equipo que quema combustible se basa en el poder calorífico del combustible, el cual es:
“ la cantidad de calor liberado cuando se quema por completo una cantidad unitaria de combustible y los productos se enfrían a temperatura ambiente”.
Entonces el rendimiento del equipo de combustión se puede caracterizar por la eficiencia de combustión:
Una eficiencia de combustión de 100% indica que el combustible se quema completamente y los gases residuales salen de la cámara de combustión a temperatura ambiente, por lo tanto la cantidad de calor liberada durante le proceso de combustión es igual al poder calorífico.
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Poder calorífico superior o HHV ( higher heating value) cuando el agua en los gases de combustión se condensa por completo, de manera que también se recupera el calor de vaporización.
La diferencia entre estos dos poderes caloríficos es igual al producto de la cantidad de agua y la entalpia de vaporización del agua a temperatura ambiente.
Ejemplos
Los automóviles y los aviones se basan en poderes caloríficos inferiores pues el agua sale en forma de vapor en los gases de escape.
Hornos se basan en poderes caloríficos superiores.
lámpara fluorescente compacta produce por W aprox. cuatro veces la luz de una incandescente y en consecuencia una fluorescente de 15W puede reemplazar a otra incandescente de 60W
Es posible definir la eficiencia de aparatos para cocer alimentos ya que convierten la energía eléctrica o química en calor.
La eficiencia de un aparato para cocinar se define como la relación entre la energía útil transferida a los alimentos y la energía que consume el aparato
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Eficiencia energética es lograr el mejor uso de los recursos energéticos, sin disminuir los niveles de producción, el confort y la atención de todas las necesidades cotidianas.
Problema 4. Costo de cocinar con cocinas eléctricas y de gas
La eficiencia de los aparatos para cocinar afecta la ganancia de calor interna puesto que un aparato ineficiente consume una mayor cantidad de energía para la misma tarea, mientras el exceso de energía consumida se manifiesta como calor en el espacio cercano. La eficiencia de los que quemadores abiertos se determina como 73% para las unidades eléctricas y 38% para las de gas.
Considere un quemador eléctrico de 2 kW en un lugar donde el costo unitario de la electricidad y el gas natural son de $0,09/kWh y $0,057termica, respectivamente, Determine la tasa de consumo de energía y el costo unitario de esta para el quemador eléctrico como el de gas.
