Clase digital 6: Interacciones de energía

Interacciones de energía

Introducción

¡Hola!

Es un placer encontrarte, espero que sigas gozando de una excelente salud y tengas buen ánimo por aprender cosas nuevas de este curso, por ello te invito a la sexta clase titulada interacciones de energía del curso Termodinámica.

El calor y el trabajo son dos formas de energía que se utilizan para la generación de potencia eléctrica, generación de frío, generación de calor, por citar algunas. Es así que, estas formas de calor son muy importantes y es por ello que en esta sexta clase se tratarán a manera de definición y, posteriormente se trabajará con ellas mediante el uso de las ecuaciones que de cada una se derivan. 

También es importante recordar que son precisamente estas dos formas de energía, las que están presentes en la Primera Ley de la Termodinámica y, por ende, también se utilizarán balances de energía utilizando esta Ley para resolver problemas relacionados con las interacciones de energía que ocurren en las sustancias.

Los balances de energía se darán tanto por equipo como de manera general en un ciclo. En esta sexta clase digital se revisarán los casos en los que el balance de energía sea para cada componente. En la clase 12, la cual está dedicada a ciclos termodinámicos, se podrán revisar el balance para estos. En ambos casos, la determinación de propiedades termofísicas ya sea a partir de tablas termodinámicas o de algún software son actividades que se tendrán que realizar. Se debe recordar que, en caso de que la propiedad termofísica de la sustancia en cuestión no exista en las tablas, será necesario interpolar o extrapolar de las tablas, por lo que esta habilidad ya deberás dominarla. 

Finalmente, se presentarán algunos ejercicios donde se hace uso de los balances de energía, considerando tanto el calor como el trabajo, en componentes individuales. La invitación a que sigas explorando las aplicaciones de la Termodinámica sigue abierta. 

Disfruta esta sexta clase digital. ¡Mucho éxito!

Desarrollo del tema

Trabajo y calor

Dos de las principales formas de energía que existen en la naturaleza son el trabajo y el calor. A continuación, se definirán cada una de estas formas de energía para una mejor comprensión de ellas.

Calor

El calor se define como la forma de energía que se transfiere entre dos sistemas (o entre un sistema y el exterior) debido a una diferencia de temperatura (Cengel&Boles, 2019). Por lo cual se considera una de las formas de interacción de energía, siendo ésta debido a una diferencia de temperatura. Existen diferentes formas en las cuales el calor está presente en la materia, siendo las más comunes:

1. El rechazo de calor
2. La adición de calor
3. El almacenamiento de calor
4. La generación de calor
5. Calentamiento por fricción
6. Calor específico
7. Calor latente
8. Calor sensible, entre otras formas

Sin embargo, todas ellas convergen en una definición a priori: El calor es energía en transición y se reconoce sólo cuando cruza la frontera de un sistema. De aquí que, en Termodinámica, el calor significa simplemente transferencia de calor.

Procesos con ausencia de calor

Un proceso durante el cual no hay transferencia de calor se denomina adiabático. Hay dos formas en que un proceso puede ser adiabático:

• El sistema está bien aislado de modo que sólo una cantidad mínima de calor cruza la frontera o,
• Tanto el sistema como el exterior están a la misma temperatura, y por lo tanto, no hay fuerza impulsora para la diferencia de calor.

Las unidades para la medición del calor son el kiloJoule (kJ) en el Sistema Internacional y la unidad térmica británica (BTU) en el Sistema Inglés. La transferencia de calor por unidad de masa se denota como q y se determina a partir de:

La tasa de transferencia de calor se expresa con Q donde el punto significa la derivada respecto del tiempo y sus unidades son en kJ/s ó kW. Cuando Q varía con el tiempo, la cantidad de transferencia de calor durante un proceso se determina integrando Q sobre el intervalo de tiempo del proceso, es decir:

Cuando Q permanece constante durante un proceso, su valor se puede calcular como:

Donde:

∆t = t2-t1 es el intervalo de tiempo en que ocurre el proceso.

Trabajo

El trabajo es la otra forma de interacción de energía que se revisará en esta sexta clase. Su definición se expresa de la siguiente manera: «El trabajo es la transferencia de energía relacionada con una fuerza que actúa a lo largo de una distancia (Cengel&Boles, 2019)».

Las unidades del trabajo son las mismas que las del calor, ya que ambos son considerados como energía. El trabajo por unidad de masa de un sistema se expresa como:

Debido a que tanto el calor como el trabajo son cantidades direccionales, ambas requieren de la especificación de una magnitud y una dirección. Es así que, para el caso de que el calor sea rechazado por el sistema, se ha adoptado la convención de que el signo de ésta variable deberá ser negativo, mientras que si el calor se absorbe, el signo deberá ser positivo. Para el caso del trabajo, si el trabajo es desarrollado por el sistema, el signo será positivo, mientras que si se requiere trabajo o potencia para activar un sistema, entonces el signo será negativo.

Las funciones de trayectoria son diferenciales inexactas que se denotan por el símbolo δ. De manera que una cantidad diferencial de calor o trabajo se representa mediante δQ o δW, respectivamente, en lugar de dQ o dW. Un pequeño cambio de volumen, por ejemplo se representa por dV, y el cambio de volumen total durante un proceso entre los estados 1 y 2 es:

Sin embargo, el trabajo efectuado entre dos procesos se obtiene mediante:

Lo que significa que el trabajo total se obtiene siguiendo la trayectoria del proceso y sumando las cantidades diferenciales de trabajo (δW) efectuadas a lo largo del trayecto. La integral de δW no es W₂ – W₁ lo cual, carecería de sentido puesto que el trabajo no es una propiedad y los sistemas no poseen trabajo en un estado.

Balance de energía con interacciones de energía en forma de trabajo y calor

El principio de conservación de la energía se expresa como:

«El cambio neto (aumento o disminución) de la energía total del sistema durante un proceso es igual a la diferencia entre la energía total del sistema durante un proceso e igual a la diferencia entre la carga total que entra y la energía total que sale del sistema durante el proceso» (Cengel&Boles, 2019).

En otras palabras:

[Energía total que entra al sistema] – [Energía total que sale del sistema] = Cambio en la energía total del sistema.

Esta relación es más conocida como balance de energía y es aplicable a cualquier tipo de sistema que experimenta cualquier clase de proceso.

En ausencia de los efectos eléctricos, magnéticos y de tensión superficial (para sistemas simples compresibles), el cambio en la energía total del sistema durante un proceso es la suma de los cambios en sus energías interna, cinética y potencia, lo cual se expresa como:

Donde:

Mecanismos de transferencia de energía

De acuerdo con Cengel & Boles, (2019), la energía se puede transferir desde o hacia un sistema en tres formas:

• Calor
• Trabajo; y
• Flujo másico

Las interacciones de energía se reconocen en las fronteras del sistema cuando lo cruzan, y representan la energía que gana o pierde un sistema durante un proceso. Las únicas dos formas de interacción de la energía relacionadas con una masa fija o sistema cerrado son las transferencias de calor y de trabajo.

Un balance de energía es aquel en donde se consideran todas las energías que entran o salen del un sistema. De manera explícita este puede ser expresado como:

Algunas anotaciones importantes acerca de la ecuación (40) son las siguientes:

• El cambio en la transferencia de energía por calor es cero cuando el sistema es adiabático.
• El trabajo en los sistemas es cero cuando no intervienen interacciones de trabajo.
• El transporte de energía con Emasa es cero cuando se consideran sistemas cerrados.

De manera general, el balance de energía para un sistema se puede expresar como:

En forma de razón, el mismo balance se puede expresar de la siguiente manera:

Si la razón de cambio no varia respecto del tiempo, se dice que el cambio de energía en un sistema es estable, y la ecuación (42) se reduce a:

Esta expresión también se utiliza cuando el sistema cerrado experimenta un ciclo y los estados inicial y final son los mismos.

Para un sistema cerrado, debido a que éste no tiene flujo másico en sus fronteras, el balance de energía para un ciclo en términos de interacciones de calor y trabajo se expresa como:

A manera de complemento, revisa los siguientes videos:

Conclusión

En resumen, el calor y el trabajo son dos variables que están presentes en sistemas termodinámicos. Ambos son formas de transferencia de energía y están asociados a la Primera Ley de la Termodinámica. En esta sexta clase digital se aprendieron los conceptos de estas variables, así como de los signos que tienen sus magnitudes cuando se evalúan en diferentes casos (rechazo, absorción, generación o requerimiento de trabajo). Es importante mencionar que, al ser formas de interacción de energía, también se deben tener en claro las unidades en las que están expresadas estas cantidades. De igual manera, se debe tener siempre presente la forma de realizar un balance de energía considerando tanto el calor como el trabajo. Se revisó también que una de las tres formas para transferir energía es el flujo másico, mismo que incide directamente en el cálculo ya sea del calor o la potencia térmica.

El balance de energía considera tanto entradas como salidas y no solo se centra en calor y trabajo, sino que también considera variables como energía cinética, potencial e interna. Se revisó el análisis de flujos mediante ecuaciones que permiten evaluar ya sea la energía que entra o la que sale considerando variación con el tiempo o manteniendo constante esta variación.

En el segundo caso, la ecuación del balance de energía se reduce, pero es importante saber siempre el por qué sucede esto.

Finalmente, tanto el calor como el trabajo son variables importantes y es por ello que debes siempre saber la diferencia entre ambos y establecer los criterios para conocer cuándo determinar una variable u otra. No se debe olvidar los casos excepcionales como por ejemplo, cuando el sistema es adiabático o, que el sistema no presenta partes móviles.

Es así que con esta breve conclusión, terminamos la clase y te doy una ¡gran felicitación por este logro! No olvides revisar los conceptos que aparecen en el libro de texto el cual se muestra en la bibliografía. Los ejercicios o consignas serán tomados del mismo libro, envíalos correctamente y a tiempo. Te espero en tu siguiente clase.

Fuentes de información

• Cengel, Y. A., A. Boles A. M. & Mehmet, K. (2019). Termodinámica, (9a ed.). McGraw Hill Editores.
• Moran, J. M., & Shapiro, N. H. (2008). Fundamentals of Engineering Thermodynamics. (6a ed.). John Willey & Sons, Inc