FORMAS DE LA ENERGÍA

FORMAS DE LA ENERGÍA

 Un refrigerador en funcionamiento con su puerta abierta, dentro de una habitación perfectamente sellada y aislada.

¿Qué sucederá con la temperatura del cuarto?.

FORMAS DE LA ENERGÍA

 ¿Qué pasa si es un ventilador?

SISTEMAS CERRADOS Y SISTEMAS ABIERTOS

Sistema: Cantidad de materia o una región en el espacio elegida para análisis; delimitada por una frontera real o imaginaria.

Sistema Cerrado (o Masa de Control):consta de una cantidad fija de masa y ninguna otra puede cruzar su frontera. Pero la energía sí puede cruzar su frontera.

Sistema Abierto (o Volumen de Control):consta de una frontera alrededor de un dispositivo que tiene que ver con un flujo de masa (flujo másico). Tanto la masa como la

energía pueden cruzar su frontera.

SISTEMAS CERRADOS Y SISTEMAS

ABIERTOS

FORMAS DE LA ENERGÍA

La energía puede existir de varias formas:

 Térmica

 Mecánica

 Cinética

 Potencial

 Eléctrica

 Magnética

 Química

 Nuclear, otras.

La suma de todas las formas de energía constituye la energía total de un sistema.

FORMAS DE LA ENERGÍA

 La Termodinámica no proporciona información acerca del valor absoluto (o real) de la energía total, sino información sobre los cambios en dicha energía.

 Utilizamos la letra ‘E’ para abreviar la Energía Total. La unidad de energía es el Joule (J). Recuerde que 1 J = 1 N·m.

 Cuando E se encuentra en función de la masa, se denomina con la letra ‘e’, o sea:

 e = E/m, en cuyo caso las unidades son J/kg

 Ya que no se trabaja con valores absolutos, lo que se hace es asignar el valor E = 0 en algún punto específico.

FORMAS DE LA ENERGÍA

El trabajo realizado por unidad de tiempo se denomina potencia y se denota con ሶ𝑊.

Las unidades de potencia son kJ/s o kW, es decir, 1 kJ/s equivale a 1 kW.

El consumo de energía eléctrica usualmente se mide en kW· h. Por ejemplo, un foco de 50 W de potencia

encendido 5 horas, consumirá 0.050 kW x 5 horas = 0.250 kW· h.

FORMAS DE LA ENERGÍA

Existe otra forma de clasificar a las formas de la energía, según sus características macroscópicas y microscópicas.

Las formas macroscópicas de energía son las que posee un sistema como un todo en relación de cierto marco de referencia exterior, como por ejemplo la energía cinética y potencial.

Las formas microscópicas de energía son las que se

relacionan con la estructura molecular de un sistema, y el grado de actividad molecular, y son independientes de los marcos de referencia externos.

FORMAS DE LA ENERGÍA

La sumatoria de todas las formas microscópicas de energía constituyen lo que denominamos Energía Interna, y se denota como U.

U es un valor que usualmente está dado en función de las condiciones del sistema, como presión y temperatura principalmente.

Las formas macroscópicas de energía, en cambio, se relacionan con el movimiento y con la influencia de factores externos (gravedad, magnetismo, electricidad, tensión superficial).

FORMAS DE LA ENERGÍA

 Energía Cinética: Es la energía que posee un sistema como resultado de su movimiento. Se denota como

‘EC’, y se calcula con la ecuación:

EC= ¹

2 𝑚 ∙ 𝑣² Donde:

EC: Energía Cinética, en Joules(J).

m: masa, en Kilogramos (kg).

v: velocidad, en metros por segundo (m/s).

 También se puede expresar como función de la masa:

ec = ¹

2 𝑣²

USO DE ECUACIONES

Energía Eólica?

Problema: Un sitio evaluado para construir un parque eólico tiene vientos permanentes a una velocidad de 8 m/s. Determine la energía eólica a) por unidad de masa, b) para una masa de 10 kg, c) para un flujo de 1154 kg/s de aire.

USO DE ECUACIONES

Un sitio evaluado para construir un parque eólico tiene

vientos permanentes a una velocidad de 8 m/s. Determine la energía eólica a) por unidad de masa, b) para una masa de 10 kg, c) para un flujo de 1154 kg/s de aire.

a) Energía del viento por unidad de masa 𝑒 = 1

2𝑉² = 1

2𝑥 8𝑚 𝑠

2

= 32𝑚²

𝑠² = 32𝑚

𝑠² 𝑥 𝑘𝑔

𝑘𝑔𝑥 𝑚 = 32 𝑁 ∙ 𝑚

𝑘𝑔 = 32 𝐽 𝑘𝑔 b) Energía del viento para una masa de aire de 10 kg

𝐸 = 𝑚 ∙ 𝑒 = 32 𝐽

𝑘𝑔x 10 kg = 320 J c) Energía del viento para un flujo de masa de 1154 kg/s

ሶ𝐸 = ሶ𝑚 ∙ 𝑒 = 1154 𝑘𝑔

𝑠 x 32 𝐽

𝑘𝑔 = 36928 𝐽

𝑠 = 36928 𝑊 = 36.9 𝑘𝑊

FORMAS DE LA ENERGÍA

 Energía Potencial: Es la energía que posee un

sistema como resultado de su incremento de altura en un campo gravitacional. Se denota como ‘EP’, y se calcula con la ecuación:

𝐸𝑃 = 𝑚∙𝑔∙𝑧

 EP: Energía Potencial, en Joules (J).

 g: aceleración de gravedad, en metros por segundo al cuadrado (m/s²).

 z: altura

ENERGÍA TOTAL DE UN SISTEMA

 Por lo tanto, la energía total de un sistema viene dada por:

E = 𝑈 + 𝐸𝐶 + 𝐸𝑃 = 𝑈 + 1

2 𝑚 ∙ 𝑣² + 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ 𝑧

 A menudo cuando hablamos de flujo utilizamos un punto ( · ) sobre el símbolo al que nos referimos; por ejemplo flujo de masa ( ሶ𝑚), flujo de calor ( ሶ𝑄), flujo de energía ( ሶ𝐸).

ENERGÍA MECÁNICA

 Energía Mecánica: Forma de energía que se puede convertir completamente en trabajo

mecánico de modo directo mediante un dispositivo mecánico como una turbina ideal.

 Recuerde que presión es igual a fuerza sobre área, y que la energía está dada en unidades de fuerza por distancia.

 Ecuación Energía Mecánica (Bernoulli):

 𝑒_{𝑚𝑒𝑐á𝑛𝑖𝑐𝑎} = ^𝑃

𝜌 + ¹

2 𝑣² + 𝑔 ∙ 𝑧

ENERGÍA MECÁNICA

 La energía puede cruzar la frontera de un sistema cerrado en dos formas distintas: calor (Q) y

trabajo (W).

 Calor: es la transferencia de energía entre dos sistemas debido a la diferencia de temperatura.

 Trabajo: es la transferencia de energía

relacionada con una fuerza que actúa a lo largo de una distancia, o bien W = F · d

TRANSFERENCIA DE ENERGÍA POR CALOR

 El calor se transfiere mediante tres mecanismos:

conducción, convección y radiación.

 Conducción: transferencia de energía de las partículas más energéticas a las partículas menos energéticas,

como resultado de la interacción de partículas.

 Convección: transferencia de energía entre superficie sólida y fluido adyacente en movimiento, como

resultado de efectos combinados de conducción y movimiento del fluido.

 Radiación: transferencia de energía debido a la emisión de ondas electromagnéticas.

TRANSFERENCIA DE ENERGÍA POR CALOR

 Conducción, se determina con la expresión:

Donde:

ሶ𝑸_{𝑐𝑜𝑛𝑑}: Calor transferido por conducción, en vatios (W) k_t: coeficiente de conductividad térmica (W/m·K)

A: Área normal a la dirección de la transferencia de calor (m²) T: Diferencia de temperatura entre las paredes del material (K) x: Espesor del material (m).

TRANSFERENCIA DE ENERGÍA POR CALOR

 Conducción (ley de Fourier)

TRANSFERENCIA DE ENERGÍA POR CALOR

Convección, se determina mediante la expresión:

Donde:

ሶ𝑸_{𝑐𝑜𝑛v}: Calor transferido por convección, en vatios (W).

h: coeficiente de transferencia de calor por convección(W/m² · ºC).

A: Área superficial a través de la cual se da la transferencia de calor(m²).

T_s: Temperatura superficial (ºC).

T_f: Temperatura del fluido que rodea a la superficie (ºC).

TRANSFERENCIA DE ENERGÍA POR CALOR

 Convección (Ley de Enfriamiento de Newton)

TRANSFERENCIA DE ENERGÍA POR CALOR

Radiación, se determina mediante la expresión:

Donde:

ሶ𝑸_rad: Calor transferido por radiación, en vatios (W) ε: emisividad de la superficie

σ: constante de Stefan-Boltzmann, 5.67 x 10^-8 W/m²·K⁴ A: Área superficial del cuerpo radiante de calor(m²) T_s: Temperatura superficial (K)

T_surr: Temperatura de los alrededores o entorno (K).

TRANSFERENCIA DE ENERGÍA POR CALOR

 Radiación (relacionado con Ley de Stefan – Boltzmann)

TRANSFERENCIA DE ENERGÍA POR CALOR



USO DE ECUACIONES

 Transferencia de calor desde una persona. Una persona está de pie con una brisa a 20ºC. Determine la tasa total de

transferencia de calor desde esta persona, si el área superficial expuesta y la temperatura de su piel son 1.6m2 y 29ºC,

respectivamente, y el coeficiente de transferencia de calor por convección es de 6 W/m² · ºC. Asuma ε=0.95.

USO DE ECUACIONES

 Transferencia de calor desde una persona. Una persona está de pie con una brisa a 20ºC. Determine la tasa total de

transferencia de calor desde esta persona, si el área superficial expuesta y la temperatura de su piel son 1.6m2 y 29ºC,

respectivamente, y el coeficiente de transferencia de calor por convección es de 6 W/m² · ºC. Asuma ε=0.95.

USO DE ECUACIONES

 Transferencia de calor en una pared. Las superficies interna y externa de un muro de ladrillo de 5mx6m, con 30cm de espesor y conductividad térmica de 0.69 W/m·ºC, se mantienen a las

temperaturas de 20ºC y 5ºC, respectivamente. Calcule la tasa de transferencia de calor a través de la pared, en W.

USO DE ECUACIONES

 Transferencia de calor en una pared. Las superficies interna y externa de un muro de ladrillo de 5mx6m, con 30cm de espesor y conductividad térmica de 0.69 W/m·ºC, se mantienen a las

temperaturas de 20ºC y 5ºC, respectivamente. Calcule la tasa de transferencia de calor a través de la pared, en W.

ሶ𝑄 = 0.69 𝑊

𝑚 ∙ ºC𝑥 30𝑚²𝑥(20ºC− 5ºC) 0.30 𝑚 ሶ𝑄 = 1035 W

TRANSFERENCIA DE ENERGÍA POR TRABAJO

 Si la energía que cruza la frontera de un sistema cerrado no es calor, entonces debe ser trabajo.

 Trabajo: energía relacionada con una fuerza que actúa a lo largo de una distancia.

 El trabajo realizado por unidad de tiempo se llama Potencia. Las unidades de potencia son kJ/s que equivale a kW.

 Existen varios tipos de trabajo; uno de los más relevantes es el trabajo eléctrico, de donde se deriva la potencia eléctrica.

TRANSFERENCIA DE ENERGÍA POR TRABAJO

Potencia eléctrica: se determina mediante la siguiente expresión:

ሶ𝑊_𝑒=V·I Donde:

ሶ𝑊_𝑒: potencia eléctrica(Watts o Vatios)

V:diferencia de potencial o voltaje(Voltios) I:corriente eléctrica (Amperios)

FORMAS MECÁNICAS DEL TRABAJO

 Hay diversas formas de hacer trabajo, cada una relacionada con una fuerza que actúa a lo largo de una distancia, o bien:

W = F · s

 Trabajo de Flecha (o de eje): trabajo de una fuerza aplicada en una dirección rotacional, se determina a partir de la expresión:

𝑊_{𝑓𝑙𝑒𝑐ℎ𝑎} = 2 ∙ 𝜋 ∙ 𝑛 ∙ 𝑇 En términos de potencia se expresa como:

ሶ𝑊_{𝑓𝑙𝑒𝑐ℎ𝑎} = 2 ∙ 𝜋 ∙ ሶ𝑛 ∙ 𝑇

 ሶ𝒏: número de revoluciones por unidad de tiempo

 T: momento de torsión

USO DE ECUACIONES

 Determine la potencia transmitida por la flecha de un automóvil

cuando el momento de torsión aplicado es 200 N·m y la flecha gira a razón de 4000 revoluciones por minuto (rpm).

USO DE ECUACIONES

 Determine la potencia transmitida por la flecha de un automóvil

cuando el momento de torsión aplicado es 200 N·m y la flecha gira a razón de 4000 revoluciones por minuto (rpm).