Unidad 3

1 UNIDAD III

Unidad III
Trabajo y Calor

La energía puede ser transferida hacia o desde un
sistema cerrado (a una masa fija) en dos formas
distintas: calor y trabajo.
Una transferencia de energía o hacia un sistema
cerrado se debe al calor, si es causada por una
diferencia de temperatura entre el sistema y su
medio ambiente. De otra manera, es trabajo y es
originada por una fuerza que actúa a través de una
distancia.
Se inicia este capítulo con la discusión de
transferencia de energía por calor. Entonces se
analizan los modos de transferencia de calor por
conducción, convección y radiación de manera
individual y en forma simultánea y congruente.
Después se introducen varias formas de trabajo,
con un énfasis particular en el trabajo por frontera
móvil o trabajo P.dV, común en aparatos
reciprocantes tales como los motores automotrices y
los compresores.

…

Apuntes para TERMOFLUIDOS, Enero-Abril 2010

TERMOFLUIDOS: Trabajo y Calor 2

NOTAS:

Profesor: Gustavo Tudare

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NOTAS:



NOTAS:


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NOTAS:



Ejemplo para el análisis de los modos de transferencia de calor

Enunciado:
Para fines de transferencia de calor, un hombre desnudo puede modelarse como un
cilindro vertical de 30 cm de diámetro y 180 cm de longitud con las superficies
superior e inferior bien aisladas y con la superficie lateral a una temperatura
promedio de 36 ºC. Para un coeficiente de transferencia de calor por conveccion de
25 W/m2.K, determine el flujo de calor de este hombre a un ambiente de 20 ºC.

Respuesta:

Conocido: Una persona será modelada como un cilindro, y se analizará un sistema de
transferencia de calor por convección.

Buscar: La transferencia de calor emitida por la persona para las condiciones
especificadas.

Esquemático:

h= 25 W/m2.K

36 ºC

Se asume: 1) La temperatura en toda la superficie es uniforme.
2) Se desprecia la transferencia de calor en el extremo superior e inferior del cilindro.
3) Los efectos de radiación son despreciables.

Propiedades: Conocido el coeficiente de transferencia de calor por convección
h=25W/m2.K.

Análisis:
h = 25 W/m 2 .K

El flujo de calor por conveccion se calculará por la ecuación: Qconv = hA(Ts − T∞ ) , (ley de
&
enfriamiento de Newton).
El área del sólido en contacto con el fluido se calcula con la siguiente ecuación:
A = πDL = π (0,3m)(1,8m) = 1,7m 2 , sustituyendo :
Q = hA(T − T ) = (25W/m 2 .K )(1,7 m 2 )(36 - 20)K = 678,6 W
&
conv s ∞

Comentario: Mientras mas baja sea la temperatura del ambiente (aire) mayor será la
transferencia de calor desde el cuerpo humano.

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NOTAS:



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NOTAS:



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NOTAS:



NOTAS:


13 UNIDAD III

Ejemplo para el cálculo de trabajo en sistemas de frontera móvil.

Enunciado:
En un sistema cilindro pistón, se comprime isotermicamente a 27 ºC, 3 kg de nitrógeno
desde 0,15 MPa hasta 0,3 MPa. Determine en kJ el trabajo ejercido por el sistema.

Solución:

Sistema: Nitrógeno contenido en un cilindro pistón.

Proceso: Temperatura constante (isotérmico).

Esquemático:

Propiedades:

Valor R del nitrógeno: R=0,2968 kJ/kg . K

Condiciones de punto crítico: Tcr=126,2 K, Pcr=3,39 MPa

Verificación para el nitrógeno sobre su comportamiento como gas ideal en estas
condiciones:

Como PR <<1 y T>2Tcr, el nitrógeno se comporta en estas condiciones como gas ideal,
por lo tanto se puede utilizar la ecuación de estado de gas ideal.



Calculo del trabajo:

Como T1=T2, se cancelan, quedando

Comentario: El signo negativo indica que es trabajo consumido (requerido) por el
sistema.
.


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RESUMEN
La energía puede cruzar las fronteras de un sistema cerrado en forma de calor o trabajo. Si
la transferencia de energía es ocasionada por una diferencia de temperaturas entre el
sistema cerrado y sus alrededores, es calor, de otro modo, es trabajo.

Siempre que existe una diferencia de temperatura, la energía se transfiere de la región de
mayor temperatura a la de temperatura más baja. Para proceder a realizar un análisis
completo de la transferencia de calor es necesario considerar tres mecanismos diferentes,
conducción, convección y radiación. Estas tres formas de transferencia son las más sencillas
que se pueden considerar aisladamente, si bien en la práctica, lo normal es que se
produzcan simultáneamente al menos dos de ellas, con lo que los fenómenos resultan más
complejos de estudiar.

• Conducción: Se da en un Sistema “contínuo” debido al gradiente de temperaturas, no
existe un desplazamiento de materia, la transmisión se hace por el choque de las
moléculas.

• Convección: Mecanismo de trasferencia de calor que se caracteriza por la presencia
de una pared a una temperatura dada y de un fluido en movimiento que incide sobre
dicha pared. La convección implica transporte de energía y de materia, por lo tanto,
esta forma de transmisión de calor es posible solamente en los fluidos y es además
característica de ellos.

• Radiación: La radiación térmica es la energía emitida por la materia que se encuentra
a una temperatura finita. Centraremos nuestra atención en la radiación de superficies
sólidas, si bien esta radiación también puede provenir de líquidos o gases.

El trabajo es la energía transferida como una fuerza que actúa sobre un sistema a través de
una distancia. La forma más común de trabajo mecánico es el trabajo de frontera, que es el
trabajo asociado con la expansión y compresión de las sustancias. Sobre un diagrama P-V,
el área bajo la curva del proceso representa el trabajo de frontera para un proceso de
cuasiequilibrio.
Las diversas formas de trabajo se expresan como sigue:

Trabajo eléctrico:

Trabajo de frontera:

1) General

Trabajo de un resorte:



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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
1. CENGEL Yunus A. Termodinámica. Mcgraw-hill, 2006, 5ª edición, México DF.

2. WARK Kenneth. Termodinámica. Mcgraw-hill, 2001, 6ª edición, México DF.

3. MORAN M, SHAPIRO H. Fundamentals of engineering thermodynamics. Wiley,
2006, 5ª edición. Great Britain, East Lothian.

4. CENGEL Yunus A. Transferencia de calor. Mcgraw-hill, 2004, 2ª edición, México
DF.

5. INCROPERA F, DeWITT D. Fundamentos de transferencia de calor. Jhon Wiley
& Sons, 1999. 3ra edición, Nueva York.

…

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ACTIVIDADES PROPUESTAS



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19 UNIDAD III

TABLAS DE INTERES


21 UNIDAD III


23 UNIDAD III


25 UNIDAD III

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