Termodinamica - Cengel 7th - espanhol

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CAPÍTULO 2
la primera ley no hace referencia al valor de la energía total de un sistema
cerrado en un estado, tan sólo establece que el cambio de energía total durante
un proceso adiabático debe ser igual al trabajo neto realizado. En consecuencia,
se puede asignar cualquier valor arbitrario conveniente a la energía total
en un estado determinado para servir como punto de referencia.
Implícita en el enunciado de la primera ley se encuentra la conservación de
la energía. Aunque la esencia de la primera ley es la existencia de la propiedad
energía total, con frecuencia se considera a la primera ley como un enunciado
del principio de la conservación de la energía. A continuación se desarrolla la
relación de la primera ley con la ayuda de algunos ejemplos familiares utilizando
argumentos intuitivos.
Primero, se consideran algunos procesos en los que hay transferencia de
calor pero no interacciones de trabajo. La papa cocida en el horno es un buen
ejemplo para este caso (Fig. 2-40). Como resultado de la transferencia de calor
a la papa, se incrementará la energía de ésta. Si se ignora cualquier transferencia
de masa (la pérdida de humedad de la papa), el incremento en la energía
total de la papa se vuelve igual a la cantidad de transferencia de calor. Es
decir, si se transfieren 5 kJ de calor a la papa, su energía se incrementa también
en 5 kJ.
Otro ejemplo, considere el calentamiento del agua contenida en una cacerola
sobre una estufa (Fig. 2-41). Si se transfieren 15 kJ de calor al agua desde
el elemento de calentamiento y se pierden 3 kJ del agua al aire circundante,
el incremento de energía del agua será igual a la transferencia neta de calor al
agua, que es de 12 kJ.
Ahora se tiene como sistema a una habitación perfectamente aislada (es
decir, adiabática) calentada mediante un calentador eléctrico (Fig. 2-42).
Como resultado del trabajo eléctrico realizado, se incrementará la energía
del sistema. Como el sistema es adiabático y no puede haber transferencia
de calor desde o hacia el exterior (Q 0), el principio de conservación de la
energía dicta que el trabajo eléctrico hecho sobre el sistema debe ser igual al
incremento de energía del sistema.
Esta vez se sustituye el calentador eléctrico por una rueda de paletas (Fig. 2-43).
Como resultado del proceso de agitación se incrementa la energía del sistema
y de nuevo, como no existe interacción de calor entre el sistema y sus alrededores
(Q 0), el trabajo de la flecha (eje) realizado sobre el sistema debe
presentarse como un incremento en la energía del sistema.
Algo notable es que la temperatura del aire aumenta cuando se comprime
(Fig. 2-44) debido a que la energía se transfiere al aire en forma de trabajo a través
de la frontera. En ausencia de transferencia de calor (Q 0), todo el trabajo
de frontera se almacena en el aire como parte de su energía total. El principio de
conservación de la energía dicta que el incremento en la energía del sistema
debe ser igual al trabajo de frontera realizado sobre el sistema.
Es posible extender estos criterios a sistemas en los que se tienen al mismo
tiempo varias interacciones de calor y trabajo. Por ejemplo, si un sistema gana
12 kJ de calor durante un proceso mientras que el trabajo realizado sobre él
es de 6 kJ, el incremento en la energía del sistema durante el proceso es de
18 kJ (Fig. 2-45). Es decir, el cambio en la energía de un sistema durante un
proceso es igual a la transferencia neta de energía hacia (o desde) el sistema.
Balance de energía
De acuerdo con el análisis anterior, el principio de conservación de la energía
se expresa como: el cambio neto (aumento o disminución) de la energía total
Papa
Δ E = 5 kJ
Q entrada = 5 kJ
FIGURA 2-40
El incremento en la energía de una papa
dentro de un horno es igual a la cantidad
de calor transferido a ésta.
ΔE = Q neto = 12 kJ
Q entrada = 15 kJ
Q salida = 3 kJ
FIGURA 2-41
En ausencia de interacciones de
trabajo, el cambio de energía de un
sistema es igual a la transferencia neta
de calor.
(Adiabatico)
ΔE = 5 kJ
W entrada = 5 kJ
– +
Batería
FIGURA 2-42
El trabajo (eléctrico) hecho sobre un
sistema adiabático es igual al incremento
en la energía del sistema.