Previo 4 Conversión de trabajo en calor

1. Conversión de trabajo
en calor.
PREVIO

2. ¿Qué es la energía?
• La energía es la cantidad que tienen los cuerpos para realizar
un trabajo.
• Es una magnitud física de tipo escalar que latente o manifiesta
es capaz de producir cambios en la materia o en sus
alrededores. Se transforma y se transmite, depende del sistema
de referencia y fijado éste se conserva.

3. Describa las formas por las que un sistema
puede intercambiar energía con su entorno.
• La energía transferida a un sistema termodinámico puede ser de dos
tipos: calor y trabajo.
• Sistema cerrado: es aquél que intercambia energía (calor y trabajo) pero no
materia con los alrededores (su masa permanece constante).
• Sistema abierto: es aquél que intercambia energía y materia con los
alrededores.
• Proceso cíclico
• Proceso adiabático
• Conducción
• Convección

4. Mencione diez ejemplos de transformaciones de energía.
A partir de un generador lo que
se logra es convertir la
energía mecánica en eléctrica.
La fisión nuclear transforma a
la
energía química en atómica.
Las placas solares son las que
permiten transformar la
energía solar en eléctrica.
La energía cinética se
convierte en energía potencial
cuando se cambia la altura de
un objeto en un medio con
gravedad.
La energía química se
transforma en energía
eléctrica utilizando una pila.
Las plantas transforman
energía solar (mediante la
fotosíntesis) en energía
química.
Los trenes se ponían en
movimiento a partir de carbón.
Esto era posible gracias a que
la energía calórica del carbón
se transforma en cinética.
Energía eléctrica a energía
térmica en el funcionamiento
de una parrilla eléctrica.
Un motor transforma a la
energía eléctrica en mecánica.
Un globo aerostático no hace
más que transformar la
energía química en cinética.

5. ¿Cuál es la relación existente entre el calor y el
trabajo?
• El calor, al igual que el trabajo, se considera en termodinámica
como energía en tránsito a través de la frontera que separa a un
sistema de su entorno.
• Los sistemas nunca tienen calor o trabajo, pero cualquiera o
ambos cruzan los límites del sistema, cuando éste sufre un
cambio de estado.
• Ambas tienen la misma unidad, julio en el S.I.

6. Explique la diferencia entre temperatura,
transferencia de calor y energía interna.
• La temperatura es la propiedad termodinámica que se
encuentra asociada al equilibrio térmico, o bien, es la propiedad
que establece cuando dos o más sistemas que interaccionan
entre sí, se encuentra en un estado térmico de equilibrio.
• La transferencia de calor es un mecanismo mediante el cual se
transfiere energía a través de la frontera de un sistema debido a
una diferencia de temperatura.
• La energía interna es toda la energía de un sistema que se
asocia con sus componentes microscópicos, átomos y
moléculas, cuando se observa desde un marco de referencia en
reposo al centro de masa del sistema.

7. ¿Qué es una transformación adiabática?
Un proceso adiabático es aquel donde no entra ni sale energía del sistema
por calor: es decir Q=0.
Cuando las únicas transferencias de energía permitidas a través de la
frontera se denomina frontera adiabática y el sistema se denomina sistema
adiabático. Un proceso adiabático es aquel en el que solo se identifican
interacciones de trabajo.
∆𝐸𝑖𝑛𝑡 = 𝑊

8. Cuando un sistema sufre un proceso muy rápido,
aunque sus paredes no sean aislantes térmicas
dicho proceso puede considerarse adiabático,
¿por qué?
Al producirse rápidamente, el tiempo en el que se
intercambia la energía en forma de calor es insuficiente

9. ¿Qué es el trabajo? Mencione sus unidades y diga
cómo calcular el trabajo asociado a:
-la compresión y expansión de un gas
-un sistema eléctrico
-un eje o flecha cuando está girando
• La fuerza que actúa sobre un objeto que se mueve a través de una distancia y existe un
componente de la fuerza a lo largo de la línea de movimiento.
• La energía transferida a través de las fronteras de un sistema en forma organizada y cuyo uso
exclusivo sea la elevación de un sistema.
• Una energía en tránsito entre un sistema y su entorno, a través de aquellos límites del sistema
en que no existe transferencia de masa y como consecuencia de la diferencia de una propiedad
intensiva, que no sea la temperatura, entre el sistema y su entorno.

10. Trabajo de expansión y compresión de un gas
• El trabajo de expansión-
compresión es la
transferencia de energía
debida a una diferencia de
presiones.
• El trabajo de cambio de
volumen de un gas es el
trabajo necesario para que el
gas pase de un volumen
inicial Vi a un volumen final
Vf. Si el volumen disminuye,
el gas se habrá comprimido y
hablaremos de trabajo de
compresión; si el volumen
aumenta, el gas se habrá
expandido y hablaremos de
trabajo de expansión.

11. Trabajo en un sistema eléctrico
En un campo eléctrico, los electrones de un alambre se mueven por el efecto de fuerzas
electromotrices, por lo tanto realizan trabajo. Cuando N coulombs de carga eléctrica se mueven a
través de una diferencia de potencial V, el trabajo eléctrico realizado es
𝑊𝑒 = VN
el cual se expresa también en forma de tasa como
𝑊𝑒 = 𝑉𝐼 [W]
Donde 𝑊𝑒 es la potencia eléctrica e I es el número de cargas eléctricas que fluyen por unidad de
tiempo, es decir, la corriente. En general, tanto V como I varían con el tiempo y el trabajo eléctrico
realizado durante un intervalo de tiempo t se expresa como
𝑊𝑒 = 1
2
𝑉𝐼 𝑑𝑡 [kJ]

12. Trabajo en un eje o flecha cuando está girando
La transmisión de energía mediante un eje rotatorio (flecha) es una práctica muy común en la
ingeniería. 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.
𝐹 =
𝑇
𝑟
Esta fuerza actúa a lo largo de una distancia s, que se relaciona con el radio r mediante
𝑠 = 2𝜋𝑟 𝑛
El trabajo de flecha se determina a partir de 𝑊𝑓𝑙𝑒𝑐ℎ𝑎 = 2𝜋𝑛𝑇 [kJ]
La potencia transmitida mediante la flecha es el trabajo de flecha por unidad de tiempo, que se
puede expresar como 𝑊𝑓𝑙𝑒𝑐ℎ𝑎 = 2𝜋 𝑛𝑇 [kW] donde 𝑛 es el número de revoluciones por unidad
de tiempo.

13. Explique en qué consiste el experimento de
Joule, qué dispositivo fue el que utilizó y
cuáles eran sus características.
• Un recipiente adiabático contiene una cierta cantidad de
agua, con un termómetro para medir su temperatura, un
eje con unas paletas que se ponen en movimiento por la
acción de una pesa.
Joule encontró que la disminución
de energía potencial es
proporcional al incremento de
temperatura del agua. La
constante de proporcionalidad (la
capacidad térmica específica del
agua) es igual a 4,186 (J/(g Δ°C)).
Por tanto, 4,186 (J) de energía
mecánica aumentan la
temperatura de 1(g) de agua en
1(°C).

14. ¿Por qué no es conveniente hablar del contenido
de calor y del contenido de trabajo mecánico en
un sistema?
El calor como el trabajo no son propiedades, son formas de transferencia
de la energía de un sistema a otro o de una sustancia a otra, pero no le
pertenece a un sistema o sustancia.

15. Referencias
Serway
Cengel
Wark