TERMODINAMICA PRIMERA LEY

1. REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACION UNIVERSITARIA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “RAFAEL MARIA BARALT”
EXTENSION TRUJILLO
PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA
INTEGRANTES:
LINARES GRATEROL ANA KARINA
CI: 21.205.676
QUINTERO CIFUENTES DAVID ALEXANDER
CI: 20.402.969
TRUJILLO AGOSTO 2015

2. INDICE
INTRODUCCION……………………………………………………..…..……pag 2
Concepto, Primera ley de termodinámica para un sistema que experimenta
un ciclo………………………..…………………………………………………pag 3
Primera ley para un cambio de estado…………………………….....……..pag 4
Energía interna, Entalpía, Calor específico a presión constante y a volumen
Constante.............................................................................................… pag 5
Energía interna, Entalpía y calores específicos de gases ideales……...pag 6
Ley de la Conservación de la Masa…………………………………………pag 7
Primera Ley aplicada a un volumen de control………………………...pag 7,8
Proceso de flujo permanente……………………………………………..…pag 8
Proceso de flujo uniforme……………………………………………..…… pag 8
El coeficiente de Joule-Thompson………………………………………… pag 9
El proceso de estrangulamiento………………..…………….…………pag 10,11
CONCLUSION…………………………………………………………..……pag 12
BIBLIOGRAFRIA……………………………………………….…………… pag 13

3. INTRODUCCION
La primera ley de la termodinamica dice que no se crea ni se destruye
esta energia se conserva y durante un ciclo se introduce diferente cantidades
de trabajo y puede rechazar diferentes cantidades de calor pero estas
cantidades tienden a ser semejantes. Cuando calor y tabajo las expresamos
en las mismas unidades se llega a usar la ecuacion que dice que el calor
neto y el trabajo neto transferido en un ciclo son iguales. Cuando aplicamos
esta ley para un cambio de estado la energia que se encuentra en un
sistema, esta energia puede estar presente de diferentes formas como
energia cinetica, energia potencial y la energia interna esta tiene una
sustancia debido a su temperatura, en cambio la entalpía es una función de
estado y es importante en la termodinámica al igual que la energía interna, la
entalpía de una sustancia pura será función de dos parámetros de estado
cualquiera, al aplicar esta ley a un volumen de control este tiene un tamaño y
forma fija y se pueden resolver gran cantidad de problemas termodinamicos
por medio de analisis de volumen de control a un sistema que requiera flujo
de masa y se analiza como volumen de control sistema abierto y no como
masa de control que seria un sistema cerrado conformado por el principio de
conservacion de la masa, al igual que la energía, es una propiedad que se
conserva, y no se crea ni destruye diciendo asi que la cantidad de masa
contenida dentro de un volumen de control no cambia con el tiempo, en el
sistema de estrangulamiento Los dispositivos de estrangulamiento son
elementos que restringen el flujo, esto hace una baja de presión importante
en el fluido, el estudio de la energía interna tiene una importancia especial.
Por eso consideramos la experiencia de Joule Tompson realizada en un
dispositivo.
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4. PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA PARA UN SISTEMA QUE
EXPERIMENTA UN CICLO.
La primera ley de la termodinámica se le conoce también como el
principio de la conservación de la energía y esta establece que la energía no
se crea ni se destruye solo se conserva cuando un sistema es sometido a un
ciclo termodinámico el calor cedido por el sistema será igual al trabajo
recibido por el mismo. Esta ley se relaciona en el trabajo el calor y la energía.
La primera ley no puede demostrarse matemáticamente, pero no se
conoce ningún proceso en la naturaleza que haya violado la primara ley lo
que debe considerarse como una prueba suficiente. Es sabido que una roca
a cierta elevacion posee cierta energía potencial y parte de esta se convierte
en energía cinética cuando la roca cae. Los datos experimentales muestran
que la disminución en energía potencial es exactamente igual que la energía
cinetica cuando la recistencia del aire es despreciable, lo cual confirma el
principio de conservación de la energía.
Una consecuencia importante de la primera ley es la existencia y la
disminución de la propiedad energía total E. Solo establece que lo cambios
en la energía total durate un proceso adiabático deben ser iguales al trabajo
neto realizado.
La primera ley para un sistema que experimenta un ciclo se define como:
J= Q= W
Q viene expresado en caloría y W en joule; J es la constante de
proporcionalidad y representa 0.2389 kJ/kcal.
La Primera Ley de la Termodinámica para ciclos expone que Se puede
introducir diferentes cantidades de trabajo y por lo tanto rechazar diferentes
cantidades de calor pero siempre ambas cantidades resultan semejantes. Si
Calor y Trabajo se expresan en las mismas unidades se puede establecer
una ecuación que establece que el Calor neto y el Trabajo neto transferido en
un ciclo son iguales.
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5. PRIMERA LEY PARA UN CAMBIO DE ESTADO
Es la energía almacenada en un sistema E, esta energía puede estar
presente de muchas maneras:
Energía Cinética: Debida al traslado de las moléculas EC.
Energía Potencial: Debida a las acciones mutuas de atracción o de
repulsión entre las moléculas EP.
Energía Interna: Esta asociada con la estructura interna de la materia U.
E =EC + EP +U
Esta ecuación corresponde a la primera ley para un sistema cerrado que
cumple un cambio de estado. Cuando se haga la sustitución de los calores y
los trabajos en las sumas, se debe tomar en cuenta la convención de signos
escogida.
En la mayoría de los casos, las variaciones de la energía cinética y
potencial son despreciables, por lo que la ecuación de la primera ley se
puede expresar únicamente en función de la energía interna.
ΔU=∑Qi-∑Wi
Tanto la energía almacenada E, como la energía interna U, son
propiedades y como tales se evalúan dentro del sistema. Tienen como
unidades las mismas unidades del calor y el trabajo pero no se evalúan en
los límites del sistema.
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6. ENERGIA INTERNA, ENTALPIA Y CALORES ESPECIFICOS DE GASES
IDEALES.
Es la energía que tiene una sustancia debido a su temperatura. La energía
interna de un gas es principal en su energía cinética en escala microscópica:
mientras mayor sea la temperatura del gas,mayor será su energía interna.
Pero también puede haber transferencia de energía entre dos sistemas, aún
cuando no haya flujo de calor. La energía interna U de un fluido, como
depende de su masa, es una propiedad extensiva, y desempeña un
importantísimo papel en la termodinámica. Es una función de estado y, como
tal, su variación global cuando el fluido experimenta una transformación
cíclica será nula:
jdU= 0
Entalpia
La entalpía es una función de estado y es importante en la termodinámica.
Al igual que la energía interna, la entalpía de una sustancia pura será función
de dos parámetros de estado cualquiera. Es una propiedad que se obtiene
de combinar la energía interna, la presión y el volumen específico.
La entalpia especifica “h” es el resultado de dividir la entalpia total entre la
masa del sistema.
h = u + Pv
Se define un gas ideal como aquel cuya temperatura, presión y volumen
específico se relacionan por medio de:
Pv = RT
Y se ha demostrado a nivel matematico que para un gas ideal la energía
interna es solo una función de la temperatura:
u = u(T)
La energía interna del aire no cambian aunque lo hicieran el volumen y la
presión, por consiguiente la energía interna es una función exclusiva de la
temperatura y no de la presión o el volumen especifico. Joule demostró que
para gases que se desvían significativamente del comportamiento de gas
ideal, la energía interna no es solo una función de la temperatura.
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7. Con la definición de la entalpia y la ecuación de estado de un gas ideal se
obtiene:
h = u+Pv h = u + RT
Pv = RT
Puesto que R es constante y u=u(T), se deduce que la entalpia de un de
un gas ideal es también solo una función de la temperatura:
h=h(T)
Como u y h solo dependen de la temperatura en u gas ideal, los calores
específicos Cv y Cp dependen solo de la temperatura. Asi que para gases
ideales, las derivadas parciales en las ecuaciones pueden sustituirse por
derivadas ordinarias. Entonces la energía interna y la entalpia en los cambios
diferenciales son:
du= Cv (T)dT
du= Cp (T)dT
Relaciones de calores específicos de gases ideales:
Una relación esencial entre Cv y Cp se obtiene al diferenciar h=u+RT lo que
produce:
dh = du +RdT
Al sustituir dh por Cp dT y du por Cv dT y dividir la exprecion resultante entre
dT se obtiene:
Cp = Cv + R (kj/(kg-K)
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8. LEY DE LA CONSERVACION DE LA MASA
La cantidad de masa contenida dentro de un volumen de control no
cambia con el tiempo (mvc=constante). Esto indica que la cantidad total de
masa que entra en un volumen de control es igual a la cantidad de masa total
que sale de él, por ejemplo: una bombilla de manguera de jardín la cantidad
de agua que entra es igual a la cantidad que sale bajo operación
permanente.
El principio de la conservación de la masa es un sistema de flujo
permanente con entradas y salidas múltiples y se expresa de la siguiente
forma:
Masa total que entra al VC Masa total que sale del VC
Por unidad de tiempo = por unidad de tiempo
PRIMERA LEY APLICADA A UN VOLUMEN DE CONTROL
Un volumen de control tiene un tamaño y forma fijos, una gran variedad
de problemas termodinámicos se resuelven mediante el análisis de volumen
de control, un calentador de agua, el radiador de un automóvil, una turbina y
un compresor requieren flujo de masa y deben ser analisados como
volúmenes de control (sistemas abiertos)y no como masa de control
(sistemas cerrados).
Las fronteras de un volumen de control reciben el nombre de superfiie de
controly son tanto reales como imaginarias. Sin embargo la mayor parte de
los volúmenes de control tiene fronteras fijas y por lo tanto no realizan ningún
trabajo de la frontera móvil, un volumen de control también implican
interacciones de calor y trabajo, además de la interacción de masa.
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9. Principio de la conservación de la masa para volúmenes de control:
Es uno de los principios fundamentales de la naturaleza, no es difícil de
entender y hay mucho parentesco con este principio.la masa, al igual que la
energía, es una propiedad que se conserva, y no se crea ni destruye. Lo que
sí es posible es hacer que la masa (m) y la energía (E) se conviertan una en
la otra esto de acuerdo a la formula de Einstein:
E = mc²
Donde c es la velocidad de la luz. Esta ecuación indica que la masa
cambiara cuando cambie la energía.
En sistemas cerrados el principio de la conservación de la masa se utiliza
en forma implícita, ya que requiere que la masa del sistema permanezca
constante durante el proceso. El principio de la conservación de la masa para
un volumen de control (VC) sometido un proceso se expresa:
Masa total entrante (VC) – Masa total saliente (VC) = Cambio neto en la
masa dentro del VC.
PROCESO DE FLUJO PERMANENTE
El proceso de flujo permanente es el proceso que cuando un fluido fluye
permanentemente por un volumen de control lo que ocurre es que las
propiedades del fluido cambian de un punto a otro dentro del volumen de
control y en cualquier punto fijo se mantendran iguales durante todo el
proceso hay un gran numero de dispositivos de ingenieria como turbinas y
compresores que funcionan durante largos periodos bajo las mismas
condiciones y se clasifican como dispositivos de flujo permanente esta ultima
palabra significa sin cambio permanente.
PROCESO DE FLUJO UNIFORME
En este proceso en cualquier momento el volumen de control su estado
es uniforme y es el mismo en todas partes, y el estado puede cambiar con el
tiempo en el volumen de control pero este sera de un modo uniformey la
masa que sale del volumen de control de cualquier modo es el mismo que el
estado de la masa en el volumen de control.
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10. ESENCIA DE JOULE-THOMPSON
El estudio de la energía interna tiene una importancia especial. Para ello
es útil considerar la experiencia de Joule realizada en un dispositivo. En el
interior de un calorímetro perfectamente aislado del exterior se encuentra un
baño de agua en equilibrio térmico con un sistema constituido por dos
recipientes A y B de vidrio; el primero de ellos contiene una cierta masa de
aire a la presión P y el segundo, en el que se ha hecho el vacío, se encuentra
separado de aquél por un pequeño tubo que lleva una válvula incorporada.
Cuando dicha válvula se abre, el gas fluye libremente de A hacia B hasta
ocupar el volumen VA+VB. Joule no observó cambio en la temperatura del
baño de agua y supuso que no se había transferido calor hacia o del aire.
Puesto que tampoco se había efectuado trabajo, W=0 y Q=0, concluyó que la
energía interna del aire no cambiaba aunque lo hicieran el volumen y la
presión, es decir dU=0. Por consiguiente, pensó, que la energía interna es
una función exclusiva de la temperatura y no de la presión o el volumen
específico. (Joule demostró que para gases que se desvían
significativamente del comportamiento de gas ideal, la energía interna no es
sólo una función de la temperatura.
COEFICIENTE DE JOULE-THOMPSON
Cuando un fluido pasa por una restricción como un tapón poroso, un tubo
capilar o una válvula de estrangulamiento, disminuye su presión y la entalpia
del fluido permanece aproximadamente constante durante el proceso de
estrangulamiento. Se comentó anteriormente que un fluido puede
experimentar una reducción considerable de su temperatura debido al
estrangulamiento, lo que constituye la base de operación en los
refrigeradores y en la mayor parte de los sistemas de acondicionamiento de
aire. Sin embargo, esto no siempre sucede. La temperatura del fluido puede
permanecer invariable o es posible incluso que aumente durante un proceso
de estrangulamiento.
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11. EL PROCESO DE ESTRANGULAMIENTO
Dispositivos de Estrangulamiento:
Los dispositivos de estrangulamiento son elementos que restringen el
flujo, lo cual causa una caída de presión importante en el fluido. Algunos
dispositivos comunes son válvulas, tubos capilares, reducciones bruscas y
tapones porosos (corcho). Estos dispositivos producen una caída de presión
sin implicar trabajo: La caída de presión en el fluido suele ir acompañada de
una reducción en la temperatura, por esa razón los dispositivos de
estrangulamiento son de uso común en aplicaciones de refrigeración y
acondicionamiento de aire. La magnitud de la caída de temperatura (o, a
veces el aumento de temperatura) durante un proceso de estrangulamiento
se rige por el Coeficiente de Joule Thompson.
Los dispositivos de estrangulamiento son por lo regular dispositivos
pequeños y se puede suponer que el flujo por ellos es adiabático (Q = 0)
puesto que no hay suficiente tiempo ni área suficientemente grande para que
ocurra alguna transferencia de calor efectiva. También, no se realiza trabajo
(W=0), y el cambio en la energía potencial es muy pequeño (ΔEp = 0). Aun
cuando la velocidad de salida sea con frecuencia considerablemente mayor
que la velocidad de entrada, en la mayoría de casos el incremento de
energía cinética es insignificante (ΔEc=0).
La ecuación de la energía aplicada a este tipo de dispositivos,
considerado flujo establece una sola corriente:
Energía interna + flujo de la energía = constante
(u2 – u1) + (P2v2- P1v1)= 0
El resultado final de un proceso de estrangulamiento depende de cuál de
las dos cantidades se incremente durante el proceso. Si el flujo de energía se
incrementa durante el proceso (P2v2>P1v1), esto se puede hacer a
expensas de la energía. Como resultado, la energía interna disminuye, lo
cual por lo regular, va acompañado de una disminución de temperatura. Si se
incrementa el producto Pv, la energía interna y la temperatura de un fluido se
incrementará durante un proceso de estrangulamiento.
h = u + Pv
(u2 + P2v2) – (u1 + P1v1) = 0
h2 – h1 = 0
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12. Se concluye que el proceso de estrangulamiento, es un proceso a entalpia
constante.
h1 = h2
Los valores de entalpia en la entrada y salida en una válvula de
estrangulamiento se consideran los mismos. Por esta razón la válvula de
estrangulamiento se denomina dispositivo isentálpico (Δh = 0).
El comportamiento de la temperatura de un fluido durante un proceso de
estrangulamiento (h=constante) está dado por el coeficiente de Joule –
Thompson, definido como:
µJT = (aT / aP) ≤ 0 La temperatura aumenta.
µJT = (aT / aP) = 0 La temperatura permanece constante.
µJT = (aT / aP) ≥ 0 La temperatura disminuye.
Observando cuidadosamente la ecuación con la que se define, se revela
que el coeficiente de Joule-Thompson representa la pendiente de las líneas
de entalpia constante (h=constante), esto se puede observar si se representa
en un diagrama (P,T).
Un fluido a temperatura y presión fija T1 y P1 se hace fluir por una válvula,
y se miden las reducciones de su temperatura y presión (P2, T2), Al graficar
las temperaturas con las presiones se obtienen las líneas de h=constante
sobre un diagrama P-T. Con la repetición del experimento para diferentes
conjuntos de presión y temperatura de entrada y graficando los resultados,
se puede construir un diagrama P-T para una sustancia con varias líneas de
h=constante.
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13. CONCLUSION
La primera ley de la termodinamica no puede probarse matemáticamente,
no se conoce un proceso en la naturaleza que haya violado esta ley lo que
consideramos una prueba suficiente, algo que no podemos obviar es la
disminucion de la propiedad energia total E que establece que los cambios
durante un proceso adibiatico en la energia debe ser igual al trabajo neto
realizado, en el cambio de estado se presentan diferentes energias como la
cinetica por el traslado efectuado por las moleculas, energía potencial debido
a las manipulaciones mutuas de atraccion o de repulsion entre las moleculas,
Energía Interna se asocia con la estructura interna de la materia U, la energía
interna U de un fluido, como depende de su masa, es una propiedad
extensiva, y desempeña un importantísimo papel en la termodinámica,
entalpia es una propiedad que se obtiene de combinar la energía interna, la
presión y el volumen específico las fronteras de un volumen de control
reciben el nombre de superfiie de control y son tanto reales como
imaginarias, la mayor parte de los volúmenes de control tiene fronteras fijas y
por lo tanto no realizan ningún trabajo de la frontera móvil, un volumen de
control también implican interacciones de calor y trabajo, con la interacción
de masa, en sistemas cerrados la conservación de la masa se utiliza en
forma implícita, ya que requiere que la masa del sistema permanezca
constante durante el proceso, la conservación de la masa es un sistema de
flujo permanente con entradas y salidas múltiples Los dispositivos de
estrangulamiento son por lo regular dispositivos pequeños y se puede
suponer que el flujo por ellos es adiabático puesto que no hay suficiente
tiempo ni área suficientemente grande para que ocurra una transferencia de
calor efectiva, También, no se realiza trabajo, y el cambio en la energía
potencial es muy pequeño, aun cuando la velocidad de salida sea con
frecuencia considerablemente mayor que la velocidad de entrada, en la
mayoría de casos el incremento de energía cinética es insignificante.
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14. BIBLIOGRAFICA
 ÇENGEL, YUNUS. A.; BOLES, MICHAEL. A.: (2009). Termodinámica. Ed.
McGraw-Hill: México, D.F (Tomo I segunda edición en español correspondiente
al Tomo I segunda edición original en inglés). ISBN 978-9701072868
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