Trabajo Y Calor

República Bolivariana de Venezuela

Ministerio del poder popular para la educación universitaria

Universidad nacional experimental “Rafael María Baralt”

Programa: Ingeniería y tecnología

Proyecto: Ingeniería de gas

Asignatura: Termodinámica básica

Docente: Prof. Aldo Rueda

Ciudad Ojeda, miércoles 5 de septiembre del 2012

Índice

 Introducción

Trabajo y calor

 Definición de trabajo

 El trabajo en la termodinámica

 Tipos de trabajos

 Unidades de trabajo

 Definición de calor

 Unidades de calor

 Transmisión de calor

 Ley cero de la termodinámica

 Equilibrios de fases

 Diagrama de fases

 Ecuaciones de estados

 Referencias

 Introducción

Definiremos al trabajo, y deduciremos algunas ecuaciones útiles para calcular su magnitud o valor numérico. Los métodos para calcular áreas bajo curvas se utilizan para determinar trabajo, en especias cuando varia la fuerza. Por otro lado, deduciremos y definiremos el concepto de calor y sus tipos.

La palabra trabajo indica un estado activo, o dinámico durante el cual se ha efectuado algún esfuerzo mecánico.

Trabajo: fuerza por distancia a lo largo de la cual la fuerza actúa de forma constante.

Calor es probablemente que la palabra que peor se ha manejado en el lenguaje técnico. Apegándonos a la forma de definición de trabajo, definiremos el calor como: energía en transición a través de la frontera de un sistema, que no se puede identificar con una fuerza mecánica que actúa a lo largo de una distancia.

Trabajo y calor

 Definición de Trabajo

La termodinámica define el trabajo de la siguiente manera:

Trabajo es una interacción entre dos sistemas tal que cualquier cambio en cada sistema y su entorno podría haberse producido, exactamente, con el único efecto externo a ese sistema, del cambio en la altura de una masa en un campo gravitatorio.

Es decir, un sistema realiza trabajo sobre su entorno si los efectos de la interacción pueden reducirse exclusivamente al levantamiento o reducción de altura de un peso.

El trabajo es, por definición, una interacción; por tanto, requiere al menos de dos sistemas. En consecuencia, no hay trabajo si sólo se considera un sistema (sistema aislado). No todas las interacciones son en forma de trabajo. Para que una interacción se considere que es trabajo debe pasar el test expresado en la definición. Los ejemplos siguientes pueden aclarar este punto.

 El trabajo en la Termodinámica

En el caso de un sistema termodinámico, el trabajo no es necesariamente de naturaleza puramente mecánica, ya que la energía intercambiada en las interacciones puede ser mecánica, eléctrica, magnética, química, etc. por lo que no siempre podrá expresarse en la forma de trabajo mecánico.

No obstante, existe una situación particularmente simple e importante en la que el trabajo está asociado a los cambios de volumen que experimenta un sistema (v-g., un fluido contenido en un recinto de forma variable).

Así, si consideramos un fluido que se encuentra sometido a una presión externa y que evoluciona desde un estado caracterizado por un volumen a otro con un volumen , el trabajo realizado será:

Resultando un trabajo positivo ( ) si se trata de una expansión del sistema y negativo en caso contrario, de acuerdo con el convenio de signos aceptado en la Termodinámica. En un proceso cuasi estático y sin fricción la presión exterior ( ) será igual en cada instante a la presión ( ) del fluido, de modo que el trabajo intercambiado por el sistema en estos procesos se expresa como

De estas expresiones se infiere que la presión se comporta como una fuerza generalizada, en tanto que el volumen actúa como un desplazamiento generalizado; la presión y el volumen constituyen una pareja de variables conjugadas.

En el caso que la presión del sistema permanezca constante durante el proceso, el trabajo viene dado por:

 Tipos de trabajo

 Trabajo eléctrico:Es el trabajo que se necesita para mover una unidad de carga de un punto a otro del campo eléctrico y también se le llama potencial eléctrico.

 Trabajo mecánico: Es la energía puesta en juego para realizar un movimiento o un desplazamiento. es decir, si muevo una bola en la mesa estoy realizando trabajo mecánico, si caliento la bola no, le suministro calor.

 Unidades de trabajo

 Sistema Internacional de Unidades

Artículo principal: Sistema Internacional de Unidades.

• Julio o joule, unidad de trabajo en el SI

• Kilojulio: 1 kJ = 103 J

 Sistema Técnico de Unidades

Artículo principal: Sistema Técnico de Unidades.

• kilográmetro o kilopondímetro (kgm) = 1 kilogramo-fuerza x 1 metro = 9,80665J

 Sistema Cegesimal de Unidades

Artículo principal:Sistema Cegesimal de Unidades.

• Ergio: 1 erg = 10-7 J

 Sistema anglosajón de unidades

Artículo principal: Sistema anglosajón de unidades.

• Termia inglesa 105 BTU

• BTU, unidad básica de trabajo de este sistema

 Sistema técnico inglés

• Pie-libra fuerza

Otras unidades

• kilovatio-hora

• Caloría termoquímica

• Termia EEC.

• Atmósfera-litro (atm-l)

 El Calor

 Definición

El calor es una interacción entre dos sistemas que no es en forma de trabajo, y que modifica la energía del sistema. Por experiencia se conoce que la causa de un flujo de calor es una diferencia de temperatura entre dos sistemas.

 Unidades de calor

La unidad de medida del calor en el Sistema Internacional de Unidades es la misma que la de la energía y el trabajo: el Joule.

Otra unidad ampliamente utilizada para medir la cantidad de energía térmica intercambiada es la caloría (cal), que es la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de agua para elevar su temperatura 1 °C. Diferentes condiciones iníciales dan lugar a diferentes valores para la caloría. La caloría también es conocida como caloría pequeña, en comparación con la kilocaloría (Kcal), que se conoce como caloría grande y es utilizada en nutrición.

1 Kcal = 1000 cal

Joule, tras múltiples experimentaciones en las que el movimiento de unas palas, impulsadas por un juego de pesas, se movían en el interior de un recipiente con agua, estableció el equivalente mecánico del calor, determinando el incremento de temperatura que se producía en el fluido como consecuencia de los rozamientos producidos por la agitación de las palas:

1 cal = 4,184 j

El BTU, (o unidad térmica británica) es una medida para el calor muy usada en Estados Unidos y en muchos otros países de América. Se define como la cantidad de calor que se debe agregar a una libra de agua para aumentar su temperatura en un grado Fahrenheit, y equivale a 252 calorías.

 Transmisión de calor.

El calor puede ser transmitido de tres formas distintas: por conducción, por convección o por radiación.

• Conducción térmica: es el proceso que se produce por contacto térmico entre dos ó más cuerpos, debido al contacto directo entre las partículas individuales de los cuerpos que están a diferentes temperaturas, lo que produce que las partículas lleguen al equilibrio térmico. Ej.: cuchara metálica en la taza de té.

• Convección térmica: sólo se produce en fluidos (líquidos o gases), ya que implica movimiento de volúmenes de fluido de regiones que están a una temperatura, a regiones que están a otra temperatura. El transporte de calor está inseparablemente ligado al movimiento del propio medio. Ej.: los calefactores dentro de la casa.

• Radiación térmica: es el proceso por el cual se transmite a través de ondas electromagnéticas. Implica doble transformación de la energía para llegar al cuerpo al que se va a propagar: primero de energía térmica a radiante y luego viceversa. Ej.: La energía solar.

La conducción pura se presenta sólo en materiales sólidos.

 Ley cero de la termodinámica

La Ley de Cero se basa en la observación y en su comprobación experimental. Consideremos dos observaciones como punto de partida:

1. Si dos cuerpos están en contacto térmico por un tiempo el suficientemente largo, ningún cambio futuro observable toma lugar y se dice que el equilibrio térmico prevalece.

2. Dos sistemas que están individualmente en equilibrio térmico con un tercero, estos dos están en equilibrio térmico uno con el otro; los tres sistemas tienen el mismo valor de la propiedad llamada temperatura.

Estas ideas que relacionan la temperatura y del equilibrio térmico se expresan formalmente en la Ley Cero de la Termodinámica:

• Ley Cero: Existe para cada sistema termodinámico en equilibrio una propiedad llamada temperatura. La igualdad de la temperatura es una condición necesaria y suficiente para el equilibrio

...