Libro Termodinamica Cap 8 Trabajo y Calor Hadzich PDF

Preview

Summary

Resumen capitulo 8 Calor y Trabajo en termodinámica basica....

Description

Termodinámica para ingenieros PUCP

Cap. 8

Trabajo y Calor INTRODUCCIÓN

Ahora que ya sabemos encontrar las propiedades de cualquier sustancia o portador de energía, lo que falta es ver cómo el ser humano le puede sacar provecho, ya sea almacenando o extrayendo calor o trabajo. Existen varios tipos de Calor y Trabajo, pero solamente trabajaremos con aquellos que en este curso estén relacionados entre sí y que forman parte de las llamadas Máquinas Térmicas. Posteriormente - con la Primera y Segunda Ley de la Termodinámica relacionaremos el calor y el trabajo y empezaremos a diseñar y seleccionar máquinas, tales como el motor de carro, de los aviones, refrigeradoras, aire acondicionado, Centrales a gas y vapor, etc.

Cómo se mediría el trabajo de este cargador frontal?

Cuál sería la relación entre trabajo y calor en este motor?

Cap 8 Trabajo y calor - Pág. 1

Cap 8 Trabajo y calor - Pág. 2

Termodinámica para ingenieros PUCP

8. TRABAJO Y CALOR 8.1 CALOR ( Q ) Es una interacción energética entre un sistema o VC y sus alrededores a través de aquellas porciones de los límites del sistema o VC que no hay transferencia de masa, como consecuencia de la diferencia de temperatura entre el sistema o VC y sus alrededores. Características: - - -

Esenergíatransitoria;semanifiestasolamentedurantelosprocesos. No es almacenable. Un cuerpo o sistema nunca contiene calor. SemanifiestaenloslímitesdelsistemaoVC. No es una propiedad termodinámica, debido a que su magnitud depende del proceso seguido, es decir depende de la trayectoria.

Q (+) Entra Suministrado

Convención de signos: (+) Cuando ingresa al sistema o VC. (-) Cuando sale del sistema o VC.

SISTEMA o VC

Unidades:

/Q/ Sale Extraìdo Evacuado Disipado NEGATIVO

Q

T2

T1

T1 U1

T2 >

T1

T2

SemanifiestaCalor

T3

T3

U3 = U3

U2

8.2 TIPOS DE CALOR

Tengo Calor!.. (está bien dicho?)

Q suministrado (+) = el sistema recibe calor

ducha frìa

/ Q evacuado / (-) = Se saca calor a la fuerza

/ Q disipado / (-) = Se va calor al ambiente Qd = 0 = ADIABATICO

/ Q fricción / (-) = Sale calor en los procesos irreversibles

Cap 8 Trabajo y calor - Pág. 3

8.3 Máquinas de Calor: Caldera: (Q(+))

Q (+)

Refrigeradora: (Q(-))

Intercambiadores: (Q(+)) y (Q(-)) Q (+) Q (+)

Q(-) Q(-)

Q (+)

Q(-)

Q(-)

En cada una de las figuras de esta página indique y dibuje si el calor sale o entra o si es adiabático.

Diga en cada una de las figuras si el calor es positivo o negativo. Cap 8 Trabajo y calor - Pág. 4

Termodinámica para ingenieros PUCP

8.4

TRABAJO: (W)

Es una transferencia de energía entre un sistema o VC y sus alrededores, a través de aquellas porciones de los límites del sistema o VC que no hay transferencia de masa, como consecuencia de una diferencia en una propiedad intensiva de la temperatura, entre el sistema o VC y sus alrededores. Características: Las características mencionadas para el calor también se cumplen para el trabajo. Convención de signos: (-) Cuando ingresa al sistema o VC. (+) Cuando sale del sistema o VC. Unidades:

W (-) Recibido NEGA-

SISTEMA o VC

W (+) Producido POSITIVO

W : J ó kJ. W : J / s = W ó kJ/s = kW W =m ×w ; w : J/kg ó kJ/kg

La Termodinámica estudia las relaciones existentes entre calor Q y trabajo W.

El que da es POSITIVO y el que recibe NEGATIVO

Centrales Tèrmicas - abiertas y cerradas

Cap 8 Trabajo y calor - Pág. 5

Formasenquesemanifiestaeltrabajo: -

Trabajo Mecánico: (WM) Es el realizado por fuerzas externas actuando sobre las fronteras del sistema como resultado pueden variar la energía cinética y la energía potencial del sistema o VC más no las magnitudes de estado. Trabajo realizado sobre el sistema:

W M(1 -2) = - ( ∆ E K + ∆ E P ) 2 2     m( c 2 − c1 ) +m W M(1 -2) = − g ( z 2 − z1 ) 2    

W M = ( −F1Cos a )d x + F2 d x d W M = ( − F1Cos a + F 2 )d x

Sobre las energías cinèticas y potenciales ya estudiamos en Fìsica, en este curso estaremos dentro de las màquinas.

Cómo cambia la energía en cada tramo del recorrido?

Cap 8 Trabajo y calor - Pág. 6

Termodinámica para ingenieros PUCP

- Trabajo de fricción: (WW) Es el trabajo realizado por fuerzas que actúan tangencialmente al límite del sistema. Este trabajo se

transforma totalmente en calor. W W = Q W

La fricción siempre será negativa y la estudiaremos profunda,mente en la Segunda Ley de la Termodinámica.

el diseno de los lubricantes se hace tomando en cuenta la friccion.... je, je, je

Sin la fricciòn no podrìamos caminar.....

El diseño de las llantas y las pistas se hace tomando en cuenta este trabajo de fricciòn.

Cap 8 Trabajo y calor - Pág. 7

-

Trabajo Técnico o al Eje:

( W t )

(Trabajo al freno - Brake Power)

Es el trabajo que se puede formar de un eje. (rectilíneo o rotatorio) Las unidades en que se mide es Watt o kW.

W t = T × w T : Torque (N × m ) w : velocidad angular (rad/s)

w= 2

RPM/60

Qué falta en esta fórmula?

En el motor el trabajo alternativo se convierte en rotativo- sistema biela manivela

al tratar de pararlo me trata de levantar, entonces mi peso seria la fuerza por la distancia de mi brazo (que sera la longitud) hace el torque T = F x d, y si lo multiplicamos por la RPM (en rad/s) nos da la potencia o el trabajo tecTodos los ejes, ya sean alternativos o rotatorios dan trabajo técnico

En el laboratorio se calcula la potencia o ytrabajo tècnico en los llamados Frenos de Prony

Cap 8 Trabajo y calor - Pág. 8

Termodinámica para ingenieros PUCP

- Trabajo eléctrico: (WE) Es el realizado como una consecuencia de una diferencia de potencial eléctrico, se puede transformar totalmente en calor a través de una resistencia eléctrica.

WE = V × I × t

el voltaje es constante (220 V) y lo que pagamos es la carga o intensidad I en

Todo el trabajo elèctrico se puede convertir en Calor de Fricciòn, pero al revès no.

Si realizo un trabajo eléctrico de 1000 W, cuántro de calor podré obtener? Es mejor trabajar con calor que con trabajo elèctrico....sólo por facilidad

Cap 8 Trabajo y calor - Pág. 9

-

Trabajo de cambio de volumen: (WV ) Es el trabajo realizado por el desplazamiento de las fronteras del sistema, debido a las fuerzas externas que actúan perpendicularmente al sistema y que dan una variación del volumen del sistema. W = F × d = P × A× d = P × V d W = PdV 2

WV ( 1 − 2 ) =

∫ PdV 1

Luego:

W V ( 1 − 2 ) = A( P − V )

Los càlculos de Wv para cada proceso politròpico estàn en la pàg. 13

Por qué sube el pistón?

Si estamos dentro del cilindro serà el màximo trabajo teòrico que el motor puede hacer, este es Wv. Posteriormente en el eje, la biela y el cigueñal se convierten en trabajo tècnico Wt; en esta conversión se pierde trabajo por fricciòn.

Cap 8 Trabajo y calor - Pág. 10

Termodinámica para ingenieros PUCP

Qué tipo de trabajo se realiza en este caso?

-

Trabajo de Flujo:

( W F )

Es la energía requerida para extraer masa de un VC, s definicióndetrabajoysetratadeunapropiedad)

 f (1− 2 ) = P 2V 2 − P1V 1 W 2

 f (1 − 2 ) = W

∫ d ( PV ) 1

8.5 ENTALPIA: Es el resultado de combinar dos propiedades.

Recuerde : Energía interna U en movimiento es igual a Entalpía H.

H = U + P ×V h= u + P × v Donde: U : energía interna P x V : trabajo por desplazamiento Es una propiedad extensiva:

H = m× h

Notienesignificadofísicosólofacilitaelanálisis.

Cuando algun portador de energia esta detenido (o parado) trabajaremos con la energia interna, pero cuando se mueve, como por ejemplo el agua de la manguera, trabajaremos con entalpias, en-

Cap 8 Trabajo y calor - Pág. 11

8.6 CICLOS: Cuandoregresaotravezalestadoinicialysepuederepetirindefinidamente. En un ciclo termodinámico se cumple:

∑W = ∑Q Ciclo Positivo: sentido horario. Ejemplo: Máquinas Térmicas o Motores.

Rendimiento Térmico h th =

∑W

t

=

QA

Trabajo total Q suministrado

Ciclo Negativo: sentido antihorario. Ejemplo: Máquinas Refrigeradoras.

Qué ciclo realiza esta locomotora?

Cuál sería el portador de energía? Coeficiente de Performance = COP h th ( −) = COP =

QB Wt

=

Q suministrado Trabajo total

Será un ciclo positivo o negativo? Por qué?

Cap 8 Trabajo y calor - Pág. 12

Termodinámica para ingenieros PUCP RESUMEN

TRABAJO DE CAMBIO DE VOLUMEN W v PROCESO

SUSTANCIA PURA

GAS IDEAL

Isobárico: P = Cte.

Isocórico: V = Cte.

Isotérmico: T = Cte.

Politrópico: Pvn = Cte.

Cap 8 Trabajo y calor - Pág. 13

PROBLEMAS DE TRABAJO 1.

2.

Cincuenta kg de etileno están contenidos en un sistema a las condiciones iniciales de 10.24MPa y 50°C; dicha sustancia realiza un proceso isobárico hasta una temperatura de 122°C. Se pide determinar el trabajo de cambio de volumen realizado durante el proceso, en kJ.

Un globo esférico tiene un diámetro de 20cm y contiene aire a 1.2bar; se le suministra calor de tal forma que el diámetro del globo aumenta hasta 40cm. Si durante este proceso la presión del aire contenido en el globo es proporcional a su diámetro y se supone que el proceso es cuasiestático, se pide determinar el trabajo desarrollado durante el proceso, en kJ.

P = KD

Cap 8 Trabajo y calor - Pág. 14

Termodinámica para ingenieros PUCP

3.

Demostrar que para cualquier gas ideal que realiza un proceso politrópico Pvn, el trabajo de cambio de volumen viene dado por:

Wv12 = m R (T2 - T1) / (1-n) y el calor viene dado por:

Q12= (k-n)/(k-1) x Wv12

En qué casos se puede aplicar esta ecuación ?

Cap 8 Trabajo y calor - Pág. 15

4. a) b) c)

Se tiene 0.8kg de H2o a 1 bar y x=15%, se encuentra encerrado en el recipiente mostrado. Se le transfiere calor hasta que la Presión es de 6bar. Si la presión necesaria para equilibrar el pistón es de 2bar, se pide: Determinar si al final se tiene: vapor húmedo o sobrecalentado Graficar los procesos en los diagramas P-v y T-v Hallar el trabajo de cambio de volumen.

Estas dos figuras tienen errores en el punto 3, por qué? Cap 8 Trabajo y calor - Pág. 16

Termodinámica para ingenieros PUCP

5.

El dispositivo cilindro-pistón mostrado contiene 0.5kg de Nitrógeno, inicialmente a 1bar y 27°C. En la posición mostrada el pistón se encuentra apoyado en los topes inferiores y el resorte, que se encuentra en su posición natural, no ejerce presión sobre el pistón. Asumiendo que los procesos son cuasiestáticos y que el proceso finaliza cuando la presión del nitrógeno es de 5bar, se pide determinar el trabajo total efectuado en kJ, y graficar los procesos en el diagrama P-v.

Cap 8 Trabajo y calor - Pág. 17

6.

El dispositivo mostrado en la figura contiene inicialmente cierto gas ideal (R=0.189kJ/kg-K) a 6bar y 300°C. La dimensión ¨a¨ es inicialmente 20cm. El gas comienza a enfriarse lentamente y el pistón se desplaza hacia la izquierda hasta que a=12cm. Si se supone que el proceso es cuasiestático, se pide determinar: aireen °C. a) La temperatura final del agua b) El trabajo de cambio de volumen efectuado en kJ.

P2= 600 - 75 = 525

525 Completar

Cap 8 Trabajo y calor - Pág. 18

Termodinámica para ingenieros PUCP

7.-

Cap 8 Trabajo y calor - Pág. 19

PROBLEMAS-TRABAJO 8. Un sistema contiene 4kg de aire inicialmente a 1bar y 27°C, realiza un ciclo compuesto por los siguientes procesos politrópicos: (1-2): n =k ; (2-3): n =1; (3-4): n =0; (4-1): n =-0.5. Se pide determinar el trabajo neto del ciclo, en kJ, si se sabe que V1 = 4V2 = V3 ¿QUE DATO FALTARÍA PARA QUE EL PROBLEMA ESTÉ BIEN PROPUESTO?.

Es un ciclo positivo o negativo?

Cap 8 Trabajo y calor - Pág. 20

Termodinámica para ingenieros PUCP 9.

Cinco kg de aire (considere como gas ideal) inicialmente a 4 bar y 227°C, realizan el siguiente ciclo reversible: 1-2: Compresión politrópica 2-3: Expansión adiabática 3-1: Proceso Isócoro Si durante la compresión politrópica se suministra al sistema un trabajo de cambio de volumen de 200kJ y se transfiere 450kJ de calor al medio ambiente, se pide: a) Determinar el trabajo neto del ciclo, en kJ. b) Determinar el calor neto del ciclo, en kJ. c) Graficar el ciclo en un diagrama P-v d) Decir si se trata de un ciclo positivo o negativo.

Es un ciclo positivo o negativo?

Cap 8 Trabajo y calor - Pág. 21

10. Diez kg de agua (sustancia pura) realiza un ciclo compuesto por los siguientes procesos: 1-2: calentamiento isócoro 2-3: proceso isobárico hasta líquido saturado 3-1: proceso Pvn =cte Si P1 = 100kPa, V2=0.4175m3 y T3=295.06°C, se pide: a) Tabular las P(kPa), V(m3) y T(°C) b) Determinar el trabajo neto del ciclo en kJ c) Graficar el ciclo en el diagrama P-v d) Calcular la sumatoria de calores, en kJ.

Este ciclo puede ser de un motor o de una refrigeradora?

Cap 8 Trabajo y calor - Pág. 22

Termodinámica para ingenieros PUCP 11. Cinco kg de cierto gas ideal (Cp=1.2kJ/kg-K y Cv=1kJ/kg-k) inicialmente a 100kPa y 27°C, realizan los siguientes procesos reversibles: (1-2): politrópico (2-3): adiabático hasta P3=150kPa (3-4): isocórico (4-1): isobárico Si se sabe que durante el proceso politrópico (1-2) se suministran 1200kJ de trabajo de cambio de volumen y 1800kJ de calor, se pide: a) Determinar los calores transferidos en los procesos (3-4) y (4-1), en kJ. b) Graficar el ciclo en el diagrama P-v c) Decir si es un ciclo positivo o negativo.

Completar

Este ciclo puede ser de un motor o de una refrigeradora?

Cap 8 Trabajo y calor - Pág. 23...