Más información en: http://www.universidadpopularc3c.es/index.php/actividades/conferencias/event/2576 Ponente:D. Alberto Navarro Izquierdo, Doctor en Ciencias Químicas. Catedrático de E. T. S. I. de Minas. Tema: Conferencia sobre los conceptos de energía, calor y trabajo. Fecha: 20 de mayo de 2016 Lugar: Universidad Popular Carmen de Michelena de Tres Cantos. Resumen: Sabemos que vivimos en un mundo en que los temas energéticos tienen un interés máximo. El precio del crudo de petróleo, el efecto invernadero y la factura de la luz, entre otros, son temas que focalizan la atención de los ciudadanos. Pero el ciudadano de la calle sabe muy poco sobre la energía y los conceptos relacionados con ella. Conoce el precio de los alimentos, pero suele ignorar la obviedad de que el ser humano es, desde el punto de vista energético, una máquina termodinámica de alta eficiencia, que como cualquier otra máquina se alimenta de energía. También se ignora que, en un ambiente con temperatura superior a 37 ºC y con humedad superior al 95 %, nos moriríamos porque no podríamos evacuar el calor indeseado que generamos como subproducto de las reacciones químicas necesarias para el automantenimiento y realizar trabajos físicos y/o mentales. En primer lugar se hace una descripción de que se entiende por energía, trabajo y calor, para así poder proseguir. Dentro de los innumerables campos de interés relacionados con la energía, se ha optado por centrarse en la energía termodinámica, en su vertiente química principalmente. Es decir procesos en que hay interconversiones de formas de energía en las que intervienen reacciones químicas, como la quema de combustibles u otras. De esta forma aspiramos a mejorar nuestro conocimiento sobre las cuestiones básicas sobre la energía, su uso e implicaciones. Tratamos de alejarnos de marcos de referencia economicistas, politizados y ecologistas y de preguntas que implican a esos campos -como ¿qué energía tipo de energía primaria es más barata o más conveniente utilizar?- porque las respuestas pueden contaminarse con implicaciones económicas, políticas, y ecologistas, partidistas; disquisiciones que enturbian lo obvio y universalmente aceptado por todo el cuerpo científico. Es decir, como científicos nos limitamos a exponer las pequeñas verdades científicas, dejando a la SAGRADA LIBERTAD individual y colectiva que tome sus propias decisiones, acompañadas con sus responsabilidades.

1. 1
ENERGIA E INTERCAMBIOS
DE CALOR Y TRABAJO EN LA
VIDA COTIDIANA
Alberto Navarro Izquierdo

2. 2
¿QUE ES LA ENERGIA?
ENERGIA ES LA CAPACIDAD QUE TIENE
ALGO PARA REALIZAR UN TRABAJO
¿QUE ES EL TRABAJO?
UNA FUERZA REALIZA TRABAJO CUANDO
ALTERA EL ESTADO DE MOVIMIENTO DE UN
CUERPO
trabajo = fuerza x distancia

3. 3
EJEMPLOS DE TIPOS DE TRABAJO
trabajo = fuerza x distancia

4. 4
¿POR QUE LA DEFINICION DE ENERGIA SE
ENFOCA SOBRE EL TRABAJO Y NO SOBRE EL
CALOR QUE ES OTRA FORMA DE TRASFERIR
ENERGIA?
El hombre ha utilizado el fuego
desde hace mucho: ¿500.000 años?
Cocinar: economía alimentaria y salud
Alfarería
Metalurgia
Calentarse
…
La obtención de calor es obvia…

5. 5

6. 6
Hasta el siglo XIX el trabajo lo realizaba
el hombre o los animales…
También el viento y los ríos: molinos (s.
I a. C.), navegación a vela (5000 a. C.),
…
Molienda de semillas, aceituna,
tubérculos,…
Forja, fraguas
Batanes
Norias (s. III a.C.), pólders (s. XII)
M

7. 7
ENGRANAJE DE LINTERNA Y CATALINA

8. 8
El trabajo es la forma común de transferencia de energía
en todas las ramas de la física.
Durante el inicio y desarrollo de la
Termodinámica (1840-1850) se tenía
mucho interés en obtener trabajo,
poner cosas en movimiento, por ser
“una forma energética de alta calidad”

9. 9
HAY MUCHOS TIPOS DE ENERGÍA QUE SE
ESTUDIAN DE FORMA INDEPENDIENTE
EN DIFERENTES RAMAS DE LA FISICA Y
DE LA QUIMICA
Campo energía mecánica
Campo energía electromagnética
Campo nuclear y cosmológico
Campo termodinámico: físico,
químico y biológico

10. 10
ENERGIA POTENCIAL GRAVITATORIA
Ep = m g h
Energía potencial = masa × gravedad × altura

11. 11
ENERGIA POTENCIAL ELASTICA
Ep = ½ k x 2
Energía elástica = ½ constante × deformación2

12. 12
ENERGIA POTENCIAL ELECTROSTATICA
Ep = ½ Q V = ½ C V 2 = ½ Q 2 / C
Energía potencial = ½ × carga × dif. potencial

13. 13
ENERGIA CINETICA DE TRASLACION
Ecin, tras = ½ m v 2
Energía traslación = ½ × masa × velocidad 2

14. 14
ENERGIA CINETICA DE ROTACION
Ec, rot = ½ I ω 2: función de la masa, radio,
y la velocidad
r
v

15. 15
ENERGIA CINETICA DE ROTACION
Mareas:
movimiento de agua ⇒
disipación de energía ⇒
disminución de velocidad de
rotación ⇒
alargamiento del día:
1 segundo / 59.000 años

16. 16
CONSERVACION DE LA ENERGIA :
“LA ENERGIA NI SE CREA NI SE DESTRUYE,
SOLO SE TRANSFORMA”
ENERGIA MECANICA =
ENERGIA CINETICA +
ENERGIA POTENCIAL GRAVITACIONAL +
ENERGIA POTENCIAL ELASTICA

17. 17
LOS ROZAMIENTOS HACEN QUE PARTE DE
ESA TRANSFORMACION SEA HACIA FORMAS
INDESEADAS DE ENERGÍA
Los móviles tienden
a pararse
“CALIDAD DE LA ENERGIA”

18. 18
U = ENERGIA INTERNA =
ENERGIA CINETICA MICROSCOPICA +
ENERGIA POTENCIAL MICROSCOPICA
Depende de la masa, de la composición
química, y presión, volumen y temperatura
del sistema
EN EL AMBITO DE LA FISICO-QUIMICA SE
UTILIZA LA ENERGIA INTERNA, U

19. 19
ENERGIA CINETICA MICROSCCOPICA o
ENERGIA TERMICA (NO CALOR)
Suma de las energías cinéticas de traslación,
rotación y vibración de las partículas microscópicas
(átomos y/o moléculas) que componen el sistema
Fragmento de proteína sólida
He a 1950 atm y T ambiente:
vrms = 1363 m / s

20. 20
Velocidad molecular (m/s)
Númerodemoléculas
ENERGIA TERMICA: Distribución de velocidades
moleculares del nitrógeno a tres temperaturas
M
RT
m
kT
vv rms
332
=== kTvmE
2
3
2
1 2
tc, ==

21. 21
M
RT
m
kT
vv rms
332
===
depende solamente de M (masa molar) y T (temperatura)
para un gas determinado depende solamente de T
La temperatura ES LA MEDIDA MACROSCÓPICA
de la energía cinética promedio de las
partículas de un gas
2
v
2
v
AN
R
k = kelvin/julios1,3806Boltzmanndeconstante: =k
kTvmE
2
3
2
1 2
tc, ==

22. 22
Una partícula tiene en promedio
Entre todas, las N partículas, tienen TcmU etérmica =
Energía térmica = masa × calor específico × temperatura abs
Poca energía térmica
Mucha temperatura
Mucha energía térmica
Poca temperatura
kTvmE
2
3
2
1 2
tc, ==

23. 23
TcmU etérmica =
TcmcalorQ ∆== e
Energía térmica = masa × calor específico × temperatura abs
El calor es una forma de INTERCAMBIAR energía térmica
entre dos sistemas con diferente temperatura, en que el más
caliente se enfría (poco o mucho) y el más frío se calienta
(poco o mucho)…
La energía térmica SE TIENE:
SISTEMA 1
T1 (grande)
SISTEMA 2
T2 (pequeña)
calor

24. 24

25. 25
EXTERIOR
Text
Tsis
si Tsis = Text
No hay intercambio
de calor,
Q = 0
EXTERIOR
Text Q
Tsis
si Tsis > Text
El calor sale
del sistema
Exotérmico: Q < 0
EXTERIOR
Text Q
Tsis
si Tsis < Text
El calor entra
al sistema
Endotérmico: Q > 0

26. 26
1e,11 TcmcalorQ ∆==
El calor es una forma de intercambiar energía térmica, que
a veces no se utiliza para calentar, sino para realiza un trabajo
SISTEMA 1
T1 (grande)
calor
ds
dV
A
ds
dV
A
ds
dV
A
Gas a T2 que se
expande levantando
una pesa

27. 27
Cuando el calor que llega a un sistema se emplea en
hacerlo hervir, tampoco hay aumento de temperatura

28. 28
ENERGIA INTERNA =
ENERGIA CINETICA INTERNA +
ENERGIA POTENCIAL INTERNA
Es la suma de las energías potenciales de los
enlaces químicos y nucleares entre partículas, y
los campos de fuerzas físicos dentro del sistema,
como los debidos a campos eléctricos o
magnéticos internos inducidos, y a la energía de
deformación de los sólidos.

29. 29
ENERGIA INTERNA =
ENERGIA CINETICA INTERNA +
ENERGIA POTENCIAL INTERNA
COMPOSICION QUIMICA

30. 30
PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA
Es la forma de expresar la ley de
conservación de la energía, al aplicarla a la
energía interna, U
Variación de
lo que se tiene
Suma de
intercambios
=
WQU +=∆
Variación de
energía interna
calor + trabajo
intercambiados
=

31. 31
Equivalente mecánico del calor: Joule (1843)
∆Uagua = magua· ce, agua · ∆Tagua = - m g ∆h
W < 0
∆U = n cV ∆T < 0
magua
termómetro
WQU +=∆

32. 32
Equivalencia de los efectos internos de Q y W
VARIACION
DE LA
ENERGIA
QUE TIENE
EL SISTEMA
VARIACIONES EN LOS “DEPOSITOS DE
ENERGIA DEL SISTEMA” DEL SISTEMA
FORMAS DE
ENERGIA
INTERCAMBIADA
POR EL SISTEMA
COMO
VARIA EL
TOTAL DE
LO QUE SE
TIENE
COMO VARIAN LAS PARCELAS DE LO QUE
SE TIENE
COMO SE
INTERCAMBIA
LO QUE SE
TIENE
∆U = ∆Utérmica + ∆Ucambio estado + ∆Ureacción = Q + W
∆U = ∆Utérmica + ∆Uconstitucional = Q + W

33. 33
Cuando suministramos W a un sistema térmicamente aislado, éste se calienta.
Ejemplo: al inflar una bicicleta podemos notar como se calienta la bomba.
Ejemplo: al machacar o retorcer una pieza de metal se calienta.
Cuando un sistema térmicamente aislado realiza W, se enfría.
Ejemplo fabricación de nieve artificial con cañones, y funcionamiento de frigoríficos.
Es decir tanto el Q como el W que llegan a un sistema (suponiendo que no se
invierten en producir una reacción química o un cambio de estado) aumentan
la temperatura del mismo. Esto es de especial interés en los gases
En procesos físicos (ausencia de cambios de estado y de
reacción química):
En general:
Si el proceso es a V = cte:
Q + W = ∆Uterm = ncv∆T
QV = ∆Uterm = ncv∆T
Equivalencia de los efectos internos de Q y W

34. 34
Formación de nieve artificial
∆U = Q + W
Q = 0 (por ser muy rápido)
W < 0 (por ser expansión)
∆T < 0 ⇒
¡NIEVE!
aire y agua pulverizada a 20 atm
y temperatura ambiente
∆U = n cV ∆T < 0
Energía interna disminuye
Temperatura disminuye

35. 35
AL VARIAR LA VELOCIDAD DE UN PROCESO
DE COMPRESION VARIA EL TRABAJO QUE
SE INTERCAMBIA
RAPIDA:
compresión
adiabática.
Wadiab
LENTA:
compresión
isoterma.
Wisoter
Wadiab =Wrápido
mayor que
Wisoter =Wlento
Hay que dar
más trabajo si
es rápido

36. 36
AL VARIAR LA VELOCIDAD DE UN PROCESO
DE EXPANSION VARIA EL TRABAJO QUE SE
INTERCAMBIA
RAPIDA:
expansión
adiabática.
Wadiab Wrápido
LENTA:
expansión
isoterma.
Wisoter Wlento
Wadiab =Wrápido
menor que
Wisoter = Wlento
Se obtiene
menos
trabajo si es
rápido

37. 37
Calentamiento en la compresión (adiabática) de un gas
Al comprimir un gas, este recibe energía. Si no expulsa esa energía en forma de calor,
sufre un calentamiento:
∆U = Q + W = n cv ∆T : si W > 0 y Q = 0 ⇒ ∆T > 0
Compresión reversible e isoterma
Transcurre de forma extremadamente lenta, tal que el gas
tiene tiempo para evacuar, en forma de calor, la energía
adquirida, y no sufre un calentamiento:
∆U = Qrev + Wrev = n cv ∆T : si Wrev = - Qrev ⇒ ∆T = 0
Para realizarla: pext ≅ pint y Text ≅ Tint
La compresión reversible es posible,
pero nadie la utiliza en la práctica.
Porque ¿alguien está dispuesto a inflar
una rueda de bicicleta invirtiendo en
ello 10 horas?
FIN
V
-
p
-
a) REVERSIBLE
INI
T1=cte

38. 38
PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA
EXPERIMENTO DE VER EL AUMENTO DE
TEMPERATURA DE UN GAS AL
COMPRIMIRLO RAPIDAMENTE

39. 39
DE
MAQUINA DE VAPOR

40. 40
MAQUINA DE VAPOR
O

41. 41
MAQUINA DE VAPOR TIPO UNIFLOW
O

42. 42
MAQUINA DE VAPOR

43. 43
MOTOR DE COMBUSTION INTERNA
AL COMPRIMIRLO

44. 44
FRIGORIFICOS Y AIRE ACONDICIONADO
2. condensador
3. Válvula de expansión
1. compresor
4. evaporador
5. filtro

45. 45
FRIGORIFICOS Y AIRE ACONDICIONADO
COMPRESOR
ELECTRICO
INTERIOR
FRIGORIFICO
VIVIENDA
EXPANSOR
4
CONDEN-
SADOR
EVAPO-
RADOR
We
QFRIG
QVIV
QVIVIENDA = QFRIGO + Weléctrico
0 ºCLíquido -10 ºC
Gas
0 ºC
líquido 20 ºC
a presión
gas 50 ºC
a presión

46. 46
BOMBA DE CALOR
COMPRESOR
ELECTRICO
EXTERIOR
0 ºC
VIVIENDA
1
2
3
4
gas 50 ºC
líquido 20 ºC
a presión Líquido -10 ºC
Gas 0 ºC
CONDENSADOR
We
QFRIG
QVIV
QVIVIENDA = QFRIGO + Weléctrico

47. 47
FRIGORIFICOS Y AIRE ACONDICIONADO
Qcaliente = Qfrío + W

48. 48
BOMBA DE CALOR
TURBINA DE GAS
η = T1 / (T1-T2) 60%
1/

49. 49
LIMITES DE LA CONVERSION DE ENERGIA
INTERNA EN TRABAJO
Gasolina ideal, tipo Otto, 8:1, 56 %
Gasolina típico, tipo Otto 20–37 %
Diesel ideal, 18:1 63 %
Diesel típico 30–45 %
Turbina de vapor ideal a 816 ºC 73 % rank
Turbina de vapor a 565 ºC 42 % rank
Turbina de gas 35-42 %
Turbina de gas ciclo combinado 60 %
Motores eléctricos y alternadores 70-99,9 %

50. 50
PR

51. 51
Primera ley de la termodinámica
La energía puede transformarse de
una forma a otro forma pero no puede
crearse ni ser destruida.
Segunda ley de la termodinámica
La entropía del universo aumenta en un proceso
espontáneo y se mantiene constante en un proceso que se
encuentre en equilibrio.
∆Suniv = ∆Ssist + ∆Samb > 0Proceso espontáneo:
∆Suniv = ∆Ssist + ∆Samb = 0Proceso en equilibrio:

52. 52
“La entropía mide el desorden, la indiferenciación, la falta
de diversidad, la simplicidad, de un sistema”,
desorden es la dificultad para localizar o diferenciar algo.
Cuado hay desorden una cosa es igual al resto, no hay
diferenciación, no hay peculiaridad, hay simplicidad, “es lo
fácil”.

53. 53
“La entropía mide el desorden, la indiferenciación, la falta
de diversidad, la simplicidad, de un sistema”,
desorden es la dificultad para localizar o diferenciar algo.
Cuado hay desorden una cosa es igual al resto, no hay
diferenciación, no hay peculiaridad, hay simplicidad, “es lo
fácil”.

54. 54
Aumento de
entropía al
aumentar el
volumen
Aumento de
entropía en una
disolución-dilución
Aumento de Entropía en procesos físico-químicos

55. 55
Procesos que
conducen a un
aumento en la
entropía del
sistema (∆S > 0)
Soluto Disolución
Disolvente
Sistema a T1 Sistema a T2
T1 < T2
CALENTAMIENTO
Aumento de Entropía en procesos físico-químicos

56. 56
El sólido está
muy ordenado.
Localizada una
partícula, es muy
fácil predecir la
posición de las
demás
El líquido tiene
un orden
intermedio
El gas está muy
desordenado,
ocupa un
volumen mucho
mayor y sus
partículas se
mueven de forma
aleatoria y a alta
velocidad
Entropía de los estados de agregación

57. 57
Relación entre entropía y número de partículas
Pocas partículas
entropía baja
Muchas partículas
entropía alta
12 O2 24 O12 O2 24 O
5O2 + C3H8 3CO2 + 4H2O
5 oxígenos + 1 propano 3CO2 + 4 vapor agua
6 moléculas 7 moléculas

58. 58
Tercer principio de la termodinámica
El tercer principio es un axioma de la naturaleza en relación con la entropía y la
imposibilidad de alcanzar el cero absoluto de temperatura. Uno de sus enunciados es
el siguiente:
“Cuando un sistema se acerca al cero absoluto de temperatura, todos
los procesos cesan y la entropía se aproxima a su valor mínimo”.
Otro enunciado dice: “La entropía de un cristal perfecto de
cualquier sustancia es cero en el cero Kelvin”.
0
Temperatura / K
0
SOLIDO LIQUIDO GAS
fusión
0
ebullición
Cambio de
fase sólida
Si partiendo de 0 K vamos dando
calor Q > 0 de forma reversible
a la vez que la temperatura va
aumentado, y se producen
consecutivos cambios de fase
∫=∆=∆
fin
ini
rev
externa
δ
T
Q
SS

59. 59
“La entropía mide el desorden, la indiferenciación, la falta
de diversidad, la simplicidad, de un sistema”,
Entropía, orden y vida

60. 60
“La entropía mide el desorden, la indiferenciación, la falta
de diversidad, la simplicidad, de un sistema”,
Entropía, orden y vida
El ADN tiene mucho orden, es complejo,
tiene mucha información
Su existencia no es gratuita. Hay que
emplear mucha energía para que el ADN
exista y se mantenga

61. 61
Eficiencia del motor muscular: 14-27 %
Rendimiento de un motor térmico tipo Carnot ? análogo
(foco frío a 20 ºC) 4,5 %
Rendimiento fotosíntesis: 6 %
Gasto muscular, gasto cerebral en reposo
At rest, skeletal muscle consumes 54.4 kJ/kg (13.0 kcal/kg) per
day. This is larger than adipose tissue (fat) at 18.8 kJ/kg
(4.5 kcal/kg), and bone at 9.6 kJ/kg (2.3 kcal/kg).[

62. 62
Cost of electricity by source. Projected LCOE in the U.S. by 2020 (as of 2015)
107.283.569.3Hydro
382.5239.7174.4Solar Thermal
193.3125.397.8Solar Photo Voltaic
269.8196.9169.5Wind offshore
81.673.665.6Wind onshore
117.4100.590Biomass
52.147.843.8Geothermal
10195.291.8Advanced Nuclear
126.8113.594.6NG[A]
:
Advanced Combustion Turbine
156.4141.5107.3NG[A]
:
Conventional Combustion Turbine
110.8100.293.3NG[A
Advanced CC with CCS
81.772.668.6NG[A
Advanced Combined Cycle
85.575.270.4NG[A]
:
Conventional Combined Cycle
160.4144.4132.9IGCC with CCS
136.1115.7106.1IGCC (Integrated Coal-Gasification Combined Cycle)
11995.187.1Conventional Coal
MaximumAverageMinimumPower generating technology

63. 63
Potencia
Trabajo y potencia. Subir un palé de sacos de cemento a
un 8º piso, a mano y con una grúa
Potencia de un surtidor de gasolina

64. 64
Entropía, orden y vida