PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

Esta ley es el conocido principio de conservación de la energía, el cual establece que la energía no se puede crear ni destruir, solo transformar. Esta ley es la que relaciona el trabajo W, el calor Q y la energía total E por medio de una ecuación.
balance de energia
El principio de conservación de la energía se expresa asi: el cambio neto en la energía total del sistema durante un proceso es igual a la diferencia entre la energía total que entra y la energía total que sale del sistema durante el proceso.

La energía puede existir en numerosas formas: interna, bien sea sensible, latente, química o nuclear, cinética, potencial, eléctrica y magnética. La suma de ellas constituye la energía total E de un sistema. Si no existen efectos eléctricos, magnéticos y de tensión superficial, solo en sistemas compresibles simples, el cambio en la energía total durante un proceso es la suma de los cambios en sus energías interna, cinética y potencial. Es decir,

donde u1 y u2 son las energías internas específicas en los estados 1 y 2 respectivamente.

Primera Ley Para Sistemas Estacionarios

Un sistema estacionario es aquel que no tiene cambios en su velocidad ni en su elevación durante un proceso. En la práctica, la mayoría de los sistemas son estacionarios.

Si esto se cumple, lo que implica es en pocas palabras que

y la relación de cambio de energía total se reduce a
Como la energía puede ser transferida en forma de calor, trabajo y masa, el balance de energía se expresa asi:
Los seis valores de la derecha son cantidades y son medidas positivas. La dirección de las transferencias de energía se describe por los subíndices "entrada" y "salida".
EN FORMA DE TASA
Para tasas constantes y durante un intervalo de tiempo Δt las relaciones son
El balance por unidad de masa sería
Para un sistema cerrado que experimenta un ciclo, los estados inicial y final son los mismos, por lo cual la energía del sistema es la misma en el estado 1 y en el estado 2, por lo cual ΔE = 0.

PRIMERA LEY PARA VOLUMENES DE CONTROL
Anteriormente se aplicó a sistemas cerrados la ecuación de balance de energía
En esta sección ampliaremos el uso de esta ecuación para sistemas en los que hay flujo de masa a través de sus fronteras. Existen dos formas en que se puede dar este flujo de masa. La primera es para el llamado flujo estable y la segunda flujo inestable o variable.
ANALISIS DE MASA Y ENERGIA DE VOLUMENES DE CONTROL
conservacion de la masa
El principio de conservación de la masa promulga que la masa no se crea ni se destruye, sino que cambia de forma. Gracias a la teoría de Albert Einstein (1879-1955) se sabe que la masa se puede convertir en energía y viceversa. Esto está dado por la famosa ecuación

Esta ecuación indica que la masa de un sistema cambia cuando su energía cambia. Conclusión, si hay cambio de masa y la misma, estrictamente, no se conserva ya que una pequeña porcion de ella se transforma en energía, mas esta porcion es tan diminuta que es insignificante en lo que a procesos de ingeniería concierne.
FLUJO MASICO Y VOLUMETRICO
El flujo volumetrico es la cantidad de volumen que fluye a través de las fronteras del sistema por unidad de tiempo. Este flujo volumétrico es el mismo caudal Q que se utiliza en mecánica de fluidos, pero se usa un símbolo diferente para no confundir caudal con calor. La ecuación para este es la V indica la velocidad promedio del fluido perpendicular a un area A.
El flujo másico es la cantidad de masa que fluye a través de las fronteras del sistema por unidad de tiempo. La ecuación para determinar el flujo másico es
Donde v minúscula es el volumen específico y es la densidad.
PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA MASA
La transferencia neta de masa hacia o desde el volumen de control durante un intervalo de tiempo es igual al cambio neto (incremento o disminución) en la masa total dentro del volumen de control durante ese .


donde los terminos de la izquierda son los flujos másicos hacia adentro y hacia afuera del volumen de control y el término de la derecha es la rata de cambio de la masa dentro del volumen de control.
BALANCE DE MASA PARA PROCESOS DE FLUJO ESTABLE
El que un proceso se llame estable significa que la cantidad total de masa dentro del volumen de control no cambia con el tiempo, es decir, la masa dentro de los límites del sistema es siempre la misma. En este tipo de procesos es importante el flujo másico.
El principio de conservación de la masa para un sistema general de flujo estable con entradas y salidas multiples se expresa en forma de tasa como
Flujo estable
Esta expresa que la sumatoria de las tasas de masa que entran es igual a la sumatoria de las tasas de masa que salen.
Dispositivos comunes en ingeniería como toberas, difusores, turbinas, compresores y bombas, solo poseen una entrada y una salida de corriente, por lo tanto al generalizar para dispositivos de una sola corriente tenemos

CALOR.

CALOR.

Es una forma de transferencia de energía. La otra forma es el trabajo. La transferencia de energía por calor se da cuando este pasa las fronteras de un sistema y el calor mismo se define como aquella forma de energía que se transfiere debido a una diferencia de temperatura. Dado esto es necesario aclarar que la temperatura es la medida de la transferencia de energía por calor. Calor, por último, es simplemente energía en tránsito.
Se denomina proceso adiabático a aquel durante el cual no hay transferencia de calor, bien sea porque el sistema se encuentra aislado de modo que no se pierde energía o porque el sistema está a la misma temperatura que sus alrededores.
Es útil diferenciar que un proceso adiabático no es lo mismo que un proceso isotérmico porque aún cuando un proceso sea adiabático, por medio de trabajo se puede cambiar la energía del sistema, lo que causa un aumento o una disminución de la temperatura.


• Interacción Energética entre el Sistema y los Alrededores.
• Transferencia de Energía debido a una diferencia de Temperatura.
• Involucra un cambio de Temperatura.
• Energía transitoria no almacénale.
• Se asocia con un proceso y no con un estado.
• Es una función de trayectoria.
• Se presenta al atravesar los límites.

CONVENSION DE SIGNOS.
Calor que Entra al sistema es POSITIVO.
Calor que Sale del sistema es
NEGATIVO.

Mecanismos de transferencia de calor
1. Por conducción
Transferencia de energía de las partículas más calientes a las menos calientes, o de las de mayor energía hacia las de menor energía.
2. Por convección
Sucede cuando la transferencia de calor se da no entre sistemas estáticos sino entre uno estático y uno que está en movimiento, o mejor, entre una superficie sólida y un fluido en movimiento.
3. Por radiación
Es la debida a la emisión de ondas electromagnéticas, que también llaman fotones.

• Proceso ADIABATICO

COMPARACIÓN ENTRE W Y Q.
- Son energías transitorias no pueden
almacenarse.
- Son funciones de trayectoria.
- Se observan cuando atraviesan los
limites del sistema.

OTRAS FORMAS DE TRABAJO QUE NO IMPLICAN CAMBIO DE VOLUMEN

Trabajo

TRABAJO:
Es la otra forma de transferencia de energía aparte de la transferencia de calor. El trabajo es por definición energía que se transfiere gracias a la acción de una fuerza a lo largo de una distancia. El símbolo para el trabajo es la letra W.

• Interacción Energética entre el Sistema y los alrededores.
• Cuando ocurre siempre se observa un desplazamiento como efecto
• Energía Transitoria no almacenable.
• Se asocia con un proceso y no con un estado.
• Es una función de trayectoria.

El trabajo depende por tanto de:
- Estado inicial.
- Estado Final.
- Trayectoria.
Gráficamente:

(d) Diferencial exacta (indica una función de punto) Cualquier propiedad




W2 y W1 no existen ya que el trabajo no es una función de punto




- El Trabajo realizado por el es agitador es negativo ya que entra al sistema.
- El Trabajo de expansión realizado por el pistón es positivo ya que sale del sistema.


- El trabajo que entra al sistema es NEGATIVO
- El trabajo que sale del sistema es POSITIVO

UNIDADES.

TIPOS DE TRABAJO.
- Magnético.
- Eléctrico.
- Mecánico.
-
PROCESO DE CUASIEQUILIBRIO.
Cuando una sustancia pura, simple, compresible experimenta un proceso en ausencia de fricción
como el que se muestra, para el cual la Fe es infinitesimal diferente a Fi se producen
desplazamientos infinitesimales, o lo que es lo mismo experimenta un proceso de
CUASIEQUILIBRIO.


- Si el sistema se comprime dV es negativo, por lo tanto el trabajo de compresión también lo es,
se considera trabajo sobre el sistema.
- Si el sistema se expande dV es positivo, por consiguiente el trabajo de expansión también
lo será, este es un trabajo realizado por el sistema.

Como en cuasiequilibrio todos los estados son de equilibrio, Se puede graficar cada estado del proceso y obtener el diagrama
P-V

Al resolver la integral obtenemos el área bajo la curva y esto representa el trabajo
intercambiado.
Se puede calcular gráficamente o bien obteniendo la ecuación de la curva para integrarla, paro lo cual se debe conocer la variación de la Presión con respecto del Volumen.





GASES IDEALES.
• Proceso a V = Cte.
W12 = 0
• Proceso a P = Cte.
A partir de la ecuación




• Proceso a PV = Cte
a Partir de la ecuación

FACTOR DE COMPRESIBILIDAD Z

El factor de compresibilidad Z, es un factor de corrección, que se introduce en la ecuación de estado de gas ideal para modelar el comportamiento de los gases reales, los cuales se pueden comportar como gases ideales para condiciones de baja presión y alta temperatura, tomando como referencia los valores del punto crítico, es decir, si la temperatura es mucho más alta que la del punto crítico, el gas puede tomarse como ideal, y si la presión es mucho más baja que la del punto crítico el gas también se puede tomar como ideal.
La desviación de un gas respecto de su comportamiento ideal se hace mayor cerca del punto crítico.
Remitiéndonos a la sección de Gases Ideales tenemos:
Introduciendo el factor de corrección Z:

Por lo tanto:

El factor Z también se puede entender como:

Donde
vactual: volumen específico que se tiene del gas.
videal: volumen específico del gas tomado de la ec. de gas ideal.

Significado del valor de Z
Si el valor de Z es igual a 1 esto indica que el gas se comporta como ideal. Si el valor de Z es mayor o menor que 1 el gas se comporta como un gas real. Mientras mas grande sea la desviación del valor de Z con respecto a 1, mayor es la desviación del comportamiento respecto al comportamiento ideal del gas.
Normalización de la temperatura y la presión
Los gases se comportan de forma similar a temperaturas y presiones normalizadas respecto a sus temperaturas y presiones críticas. Es decir, Z es aproximadamente igual a la misma presión y temperatura reducidas para todos los gases.
Presión Reducida Temperatura Reducida Volumen específico Pseudorreducido Donde R=Rp: es decir, la constante particular del gas.
La carta o gráfica de compresibilidad generalizada de Nelson-Obert
Esta grafica es sumamente útil para determinar las propiedades de los gases bajo condiciones no ideales. Relaciona los valores de Z, Pr (presión reducida), Tr (temperatura reducida) y vr (volumen específico pseudorreducido).