Aplicaciones de 1° Ley de la Termodinámica

UNIVERSIDAD DE LA FRONTERA

FACULTAD DE INGENIERÍA, CIENCIAS Y ADMINISTRACIÓN

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

[pic 1]

Aplicaciones de 1° Ley de la Termodinámica

                                                             Nombre                :

                                                             Carrera                  : ICI – Mecánica.

                                                             Asignatura            : Termodinámica Aplicada.

                                                             Fecha de entrega: 12 de Diciembre de 2013.

1. RESUMEN

El siguiente informe muestra el análisis de la segunda experiencia realizada en el laboratorio 2, que tiene como objetivo principal comprobar y validar del principio de la conservación de la energía en un sistema cerrado cíclico.

Se mostrará un breve marco teórico en el que se explicarán algunos conceptos y fórmulas a utilizar para la compresión de los procesos que ocurrirán en la experiencia.

También, se explicará cada una de las regiones en la cual se divide el sistema en estudio a través de un esquema, que muestra los flujos de energía que ocurren en cada región, los que serán calculados mediante las fórmulas detalladas en el marco teórico para así generar una discusión y la comprobación de la primera ley de la termodinámica.

ÍNDICE

1. RESUMEN        2

2. INTRODUCCIÓN        4

3. DESARROLLO DEL TEMA        5

3.1 Desarrollo teórico        5

3.2 Desarrollo experimental        7

3.3 Exposición de resultados        10

4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS        16

5. CONCLUSIONES        17

6. REFERENCIAS        18

2. INTRODUCCIÓN

A partir de observaciones experimentales, la primera ley de la termodinámica brinda una base sólida para estudiar las relaciones entre las diversas formas de interacción de energía. Ésta establece que la variación de energía interna de un sistema es igual a la energía transferida al medio ambiente ya sea en forma de calor o trabajo, afirmando así que la energía no se crea ni destruye, solo se transforma.

Si energía transferida proviene de una diferencia de temperaturas entre el sistema y el medio, hablamos de calor; de cualquier otro modo se trata de trabajo.

Objetivos:

• Comprobar la validez del principio de conservación de la ENERGÍA en un sistema CERRADO CÍCLICO.

3. DESARROLLO DEL TEMA

3.1 Desarrollo teórico

La primera ley de la termodinámica, conocida también como el principio de conservación de la energía, establece que la energía no se puede crear ni destruir dentro de un proceso; solo puede cambiar de forma, por tanto, cada cantidad de energía, por pequeña que sea debe justificarse durante un proceso.[1]

La energía E total de un sistema es una propiedad termodinámica, que se expresa como E entrada– E salida  = ΔE sistema (variación de energía), este balance de energía se usa principalmente para resolver problemas que involucran interacciones de calor y de trabajo.

- Variación de energía de un sistema (∆E).

Para determinar el cambio de energía de un sistema durante un proceso es necesaria la evaluación de la energía del sistema al principio y al final del proceso para así poder encontrar su diferencia.

Variación de energía:

∆E = E final – E inicial

El cambio total de la energía del sistema durante un proceso es la suma de los cambios en sus energías interna, cinética y potencial:

ΔE = ΔU+ΔEc+ΔEp

Dónde:

Energía interna, ΔU = m·(U2 – U1)

Energía cinética, ΔEc = m·(V22 – V12)[pic 2]

Energía potencial, ΔEp = m·g·(Z2 – Z1)

La cantidad de energía transferida no depende solamente de los estados iniciales y finales, sino también de la forma concreta en la que se lleven a cabo los procesos.

La transferencia de calor Q a un sistema incrementa la energía de las moléculas y por lo tanto la del sistema y la transferencia de calor del sistema al ambiente hace que disminuya la energía en el sistema. Esto se debe únicamente a que los sistemas se encuentran a distintas temperaturas.

La transferencia de trabajo W a un sistema (el trabajo hecho sobre el sistema) incrementa la energía de éste y la transferencia de trabajo del sistema (el trabajo realizado) disminuye la energía en el sistema.

El flujo másico ; cuando entra masa a un sistema, la energía del sistema aumenta debido a que la masa lleva energía consigo. Igualmente cuando algo de masa sale del sistema la energía disminuye ya que la masa que sale saca algo de energía consigo.[pic 3]

Es por esto que, el incremento de la energía interna de un sistema termodinámico, es igual a la diferencia entre la cantidad de calor transferido a un sistema y el trabajo realizado por el sistema y el medio que lo rodea.

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Donde, ∆E como se mencionó anteriormente, es el incremento de energía interna del sistema, Q es el calor cedido al sistema y W el trabajo cedido por el sistema al medio ambiente.

Primera ley de la termodinámica para un sistema cerrado o de masa fija: establece que no hay variación de energía en el tiempo.

                                                      [pic 5]

Esto afirma que , es decir, la energía que entra es igual a la energía que sale del sistema.[pic 6]

Un sistema cerrado puede tener interacciones de trabajo y calor con el medio que lo rodea, así como puede realizar trabajo a través de su frontera. Por tanto,

[pic 7]

Con, Q cantidad total de transferencia de calor hacia el sistema, W trabajo total y ΔE, energía total del sistema (ΔE=ΔU+ΔEc+ΔEp).

“La validez de la primera ley de la termodinámica”, se realiza mediante un balance de masa y energía, para lo cual se tiene:

[pic 8]

[pic 9]

3.2 Desarrollo experimental

La experiencia realizada en el laboratorio, fue realizada sobre el mismo sistema cíclico cerrado de refrigeración de la experiencia anterior, el cual se caracterizaba además por ser estático, heterogéneo y contener una masa fija de fluido.

El equipo utilizado, se compone de un compresor, un condensador, un evaporador y una válvula reductora de presión (dispositivo generador de entropía, pero cabe destacar que la válvula reductora de presión no participa en las regiones de análisis debido a que esta no transfiere energía al sistema), todo esto unido con tuberías de cobre rígidas en todos lados, de volumen constante y cuyo diámetro exterior es de 3/8”. En el siguiente esquema se aprecia el sistema:

[pic 10]

A diferencia de la experiencia anterior, el sistema se dividió de una forma diferente para el estudio de la conservación de la energía. Se dividió en  3 en tres regiones de análisis o también llamados sectores de volumen de control R1, R2 y R3, en los cuales se fueron tomando ciertos datos como la altura, presión manométrica y temperatura para posteriormente obtener mediante el programa de R-12 la entropía, volumen específico, energía interna. Mediante ciertas fórmulas dadas se obtuvo la velocidad, densidad y el área interior de la tubería por donde circulaba el R-12.

- Diagrama del sistema de estudio:

[pic 11]

Tipo de sistema: Es un sistema cerrado cíclico, pues los tubos al ser de cobre son herméticos e impermeables al paso de masa (frontera). Debido a que las condiciones (estados) iniciales y finales son iguales, lo podemos clasificar como un sistema cíclico, por ende tiene una evolución cerrada (la energía se mantiene constante).  

Diagrama P-H:

P1 = P2[pic 12]

h2 = h3

- Diagrama de regiones R1 (de 1 a 3), R2 (de 3 a 4) y R3 (4 a 1) de análisis:

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- El sistema recibe dos tipos de energía: [pic 14]

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