Termodinamica - Cengel 7th - espanhol

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ENERGÍA, TRANSFERENCIA DE ENERGÍA
F
s
FIGURA 2-27
El trabajo hecho es proporcional a la
fuerza aplicada (F ) y la distancia recorrida
(s).
FIGURA 2-28
Si no hay movimiento, no se realiza
trabajo.
© Reimpresa con autorización especial de King
Features Syndicate.
Barco
Motor
FIGURA 2-29
La transmisión de energía mediante ejes
rotatorios se encuentra comúnmente en
la práctica.
F
2-5 ■ FORMAS MECÁNICAS DEL TRABAJO
Hay diversas formas de hacer trabajo, cada una relacionada de cierta manera
con una fuerza que actúa a lo largo de una distancia (Fig. 2-27). En la mecánica
elemental, el trabajo que realiza una fuerza constante F sobre un cuerpo que se
desplaza una distancia s en la dirección de la fuerza se expresa como
W Fs 1kJ2
(2-21)
Si la fuerza F no es constante, el trabajo realizado se obtiene al sumar (es
decir, integrar) las cantidades diferenciales de trabajo,
W
1
2
Fds
T
T Fr S F
(2-23)
r
Esta fuerza actúa a lo largo de una distancia s, que se relaciona con el radio r
mediante
s 12pr2n
(2-24)
El trabajo de flecha se determina a partir de
1kJ2
(2-22)
Es obvio que para efectuar esta integración es necesario saber cómo varía la
fuerza con el desplazamiento, y las ecuaciones 2-21 y 2-22 sólo proporcionan
la magnitud del trabajo. El signo se determina con facilidad a partir de consideraciones
físicas: el trabajo que sobre un sistema realiza una fuerza externa
que actúa en la dirección del movimiento es negativo, y el trabajo que lleva a
cabo un sistema contra una fuerza externa que actúa en dirección opuesta al
movimiento es positivo.
Hay dos requisitos para que se presente una interacción de trabajo entre un
sistema y el exterior: 1) debe haber una fuerza que actúe sobre los límites y
2) éstos deben moverse. Por lo tanto, la presencia de fuerzas en la frontera sin
ningún desplazamiento de la misma no constituye una interacción de trabajo. De
modo similar, el desplazamiento de la frontera sin ninguna fuerza que se oponga
a este movimiento o lo impulse (como la expansión de un gas al interior de un
espacio al vacío) no es una interacción de trabajo ya que no se transfiere energía.
En muchos problemas termodinámicos el trabajo mecánico es la única
forma de trabajo, y se relaciona con el movimiento de la frontera de un sistema
o el del propio sistema como un todo (Fig. 2-28). A continuación se
analizan algunas formas comunes de trabajo mecánico.
Trabajo de flecha
La transmisión de energía mediante un eje rotatorio (flecha) es una práctica
muy común en la ingeniería (Fig. 2-29). Con frecuencia el momento de torsión
T aplicado al eje es constante, lo cual significa que la fuerza F aplicada también
es constante. Para un determinado momento de torsión constante, el trabajo
hecho durante n revoluciones se determina así: una fuerza F que actúa por
medio de un brazo de momento r genera un momento de torsión T (Fig. 2-30)
W flecha Fs a T b 12 prn2 2pnT1kJ2 (2-25)
r
La potencia transmitida mediante la flecha es el trabajo de flecha por unidad
de tiempo, que se puede expresar como
W # flecha 2pn # T 1kW2 (2-26)
donde ṅ es el número de revoluciones por unidad de tiempo.