Trabajo Colaborativo 1 Termodinamica Composiciones de Colegio: Trabajo Colaborativo 1 Termodinamica Ensayos de Calidad, Tareas, Monografias - busque más de 623.000+ documentos. Enviado por: vjmorenoc 18 noviembre 2012 Tags: Palabras: 1924 | Páginas: 8 Views: 155
Trabajo Colaborativo Uno Termodinámica Grupo no. (1) Víctor Julián Morales Chacón CC. 1052398249 Angie Lizeth Vargas CC. 1052399627 Universidad nacional abierta y a distancia – UNAD Escuela de ciencias básicas, tecnología e ingeniería Cead Duitama 18 de octubre de 2012 CONTENIDO Página Introducción 3 1. Objetivos 4 1.1 Objetivo General 4 1.2 Objetivos Específicos 4 2. Diez ejemplos de sistemas termodinámicos en el hogar con el cálculo de sus consumos energéticos 5 3. Comparación del consumo de energía eléctrica con el consumo de gas para hervir un litro de agua 9 4. siete ejemplos en el hogar o empresa en donde se realice un cálculo de trabajo en sistemas isotérmico, isobárico, isocórico y adiabático 10
Conclusiones 13 bibliografía 14
INTRODUCCIÓN Es indispensable que al momento de abordar un curso conozcamos sus generalidades para irnos involucrando con la materia de tal forma que avancemos gradualmente para qué aprendamos a medida que aumenta su complejidad. Termodinámica es un curso fundamental en nuestra carrera, ya que es aquella ciencia que estudia los procesos en los que se transfiere energía como calor y trabajo entre otros. Mediante este primer trabajo colaborativo reconoceremos algunas pautas y conceptos principales de este curso basándonos en el módulo que nos brinda la universidad para este curso, así mismo reconocer su estructura por medio de la realización de algunos procesos de sistemas termodinámicos, en donde se calcularan sus respectivos consumos energéticos; también se tendrán en cuenta el sistema isotérmico, isobárico, isocórico y adiabático.
1. OBJETIVOS Objetivo General Reconocer la temática del curso termodinámica, principalmente la primera unidad: ley cero, trabajo y primera ley de la termodinámica Objetivos Específicos - con ejemplos identificar los diferentes sistemas termodinámicas nuestro hogar - calcular el consumo de energía y el trabajo en sistemas termodinámicos relacionados a nuestro entorno. - comparar los consumos de energía en un procesos caloríficos - tener claras las relaciones termodinámicas existentes en el entorno cotidiano. - Identificar los sistemas termodinámicos de un hogar, con sus respectivos consumos energéticos. - Aprender a realizar diferentes cálculos de trabajo en sistemas isotérmico, isobárico, isocórico y adiabático.
2. Diez ejemplos de sistemas termodinámicos en el hogar con el cálculo de sus consumos energéticos Ejemplo 1: Plancha: Este es un instrumento eléctrico que transforma la energía a forma calorífica, pero su consumo energético depende de su potencia promedio y el tiempo de uso, el producto de los dos valores dará la energía de consumo del sistema. La potencia nominal de la plancha es de 1KW y su uso es por 45 minutos, por lo tanto su energía consumida es: E=1000 W*45min*(60s/min)=2700000 J=2.7 MJ Ejemplo 2: Estufa eléctrica: Instrumento que basa su funcionamiento en la capacidad de disipación energética de alguno de sus materiales al ser expuestos a una corriente eléctrica, por lo cual esta posee un valor de potencia promedio, el cual debe multiplicarse por el tiempo de funcionamiento para hallar la energía disipada. Otra forma es llevar el registro de consumo energético por parte del contador, y este dará la energía consumida por la estufa. Durante un día el contador registro el cambio de la siguiente forma: hora Lectura en el contador 6:30 am 9491 KWh 7:30 pm 9497 KWh Por lo tanto el consumo energético de la estufa fue de 6KWh que podemos transformar a julios o a calorías, en este caso a julios su equivalencia es: 6 KWh*((3,6 MJ)/1KWh)=21,6 MJ Ejemplo 3: ventilador: es un sistema abierto donde se presenta un flujo constante de materia y energía. Un ventilador consume 21.33 W en una hora de uso continuo, la energía expresada en julios es de: E= 21.33 w/h ((3600 J)/(1 w⁄h))=76,788 KJ Ejemplo 4: Estufa a gas: Este es un instrumento de transformación de energía en la que el gas se transforma en calorífica ante una reacción química, entre el combustible y el aire. Por lo tanto necesitamos conocer el grado energético del gas que regularmente se trata con un valor de 9300 Kcal por metro cubico, y con el contador de flujo se establece el volumen que pasa durante su consumo, con el producto de esta cantidad se conoce el consumo energético.
La estufa durante su operación diaria consume 2.1 m3 de gas por lo tanto la energía consumida es de: E=(9300 Kcal/m^3 )*2.1m^3=19530 Kcal Ejemplo 5: Sauna: En un sistema de generación de ambiente que se caracteriza por poseer una temperatura mayor a la del ambiente, para este fenómeno se cuenta con una caldera en la cual se consume cierta cantidad de energía, para el cálculo de este se debe conocer el volumen de combustible y el contenido energético por unidad de volumen del mismo, el producto de estas dos cantidades establece la energía promedio consumida. El sauna consume un volumen de 7 galones diarios de gasolina, por lo tanto su energía consumida es: 7ga ((3.79 lt)/(1 ga))((1 m^3)/(1000 lt))=0.02653 m^3 E=(34.78 MJ/m^3 ) (0.02653m^3 )=0.9227 MJ La energía consumida es de 0.9227 MJ Ejemplo 6: Baño Turco: En un sistema de generación de ambiente que se caracteriza por poseer una temperatura mayor a la del ambiente, para este fenómeno se cuanta con una caldera en la cual se consume cierta cantidad de energía, para el cálculo de este se debe conocer el volumen de combustible y el contenido energético por unidad de volumen del mismo, el producto de estas dos cantidades establece la energía promedio consumida El turco consume un volumen de 10 galones diarios de gasolina, por lo tanto su energía consumida es: 10ga ((3.79 lt)/(1 ga))((1 m^3)/(1000 lt))=0.0379 m^3 E=(34.78 MJ/m^3 ) (0.0379m^3 )=1,318 MJ La energía consumida por el baño turco es de 1,318 MJ Ejemplo 7: Sistema intercambiador de una piscina: En un sistema de generación de ambiente que se caracteriza por poseer una temperatura mayor a la del ambiente y casi constante, para este fenómeno se cuanta con una caldera en la cual se consume cierta cantidad de energía, para el cálculo de este se debe conocer el volumen de combustible y el contenido energético por unidad de volumen del mismo, el producto de estas dos cantidades establece la energía promedio consumida. El sistema de intercambiador de la piscina consume un volumen de 12 g alones diarios de gasolina, por lo tanto su energía consumida es: 12ga ((3.79 lt)/(1 ga))((1 m^3)/(1000 lt))=0.04548 m^3
Ejemplo 8: nevera: es un sistema abierto de intercambio de energía, por donde fluye materia y energía a través de su radiador. Una nevera de 12 pies consume 87.5 W en una hora esto equivale a: E= 87.5 w/h ((3600 J)/(1 w⁄h))=315 KJ Ejemplo 9: el televisor es un sistema que transforma la energía eléctrica a través del paso por una serie de resistencias y demás sistemas para generar imagen, en este proceso se produce energía calorífica por el calentamiento de sus resistencias y circuitos y energía estática. Un televisor consume 80 W en una hora en julios esta cantidad es de: E= 80 w/h ((3600 J)/(1 w⁄h))=288 KJ Es decir que en una hora el consumo de energía de un televisor es de 288 KJ Ejemplo 10: licuadora: f=60 Hertz w=2πf=2π*60=377 rad/s La licuadora mueve el juego, supongamos 1 litro con una densidad de 1100 kg/m³ m=0.001 m³*1100 (kg )/m^3 =1,1 kg Momento de inercia I=mr²=1.1 kg*(0.03 m)^2=0.001 kg*m² K=1/2*Iw^2 K=1/2*0.001 kg*m^2*(377 rad/s)^2=70.35 J 3. Comparación del consumo de energía eléctrica con el consumo de gas para hervir un litro de agua Comparar el consumo de energía eléctrica con el consumo de gas para hervir un litro de agua. Explicar muy bien todos los pasos que se deben tener en cuenta. Aunque las magnitudes en energía eléctrica y cantidad de gas deben ser muy diferentes, la energía consumida deben ser equivalentes en un mismo sistema de unidades. Calcularemos la energía necesaria para que el líquido hierba teniendo en cuenta que la temperatura inicial será la temperatura ambiente de 20 ⁰C, y la temperatura final 100 ⁰C, y aplicaremos los conceptos de calor latente y calor especifico del agua. La energía necesaria para calentar un litro de agua de 20º a 100º es:
1 litro = 1 kg H2O E = M (T2 - T1) = 1000g (100-20)K=80 Kcal 80.000 cal ((4.187 J)/(1 cal))=334.96 KJ Es la energía necesaria para hacer hervir un litro de agua 334.96 KJ Para convertir el agua a 100 ⁰C en vapor debe suministrarse una cantidad adicional de calor, que se basa en la tasa de calor de ebullición del agua Q_2=m*L=1000g*539 cal/g=539000 cal Por lo tanto la energía necesaria total para convertir en vapor total el litro de agua es la suma de los dos cálculos anteriores: Q_T=80000 cal+539000 cal=619000 cal= 619 Kcal 4. Siete ejemplos en el hogar o empresa en donde se realice un cálculo de trabajo en sistemas isotérmico, isobárico, isocórico y adiabático Isotérmico: trabajo al comprimir 55 moles de vapor de agua (1000 gr) hasta que quede 0.5 litros a una temperatura constante de 353 K. H_2 O=18 g/mol 1000 gr H_2 O ((1 mol H_2 O)/(18 gr H_2 O))=55 mol H_2 O W=nRT 〖Log〗 _n (V_2/V_1 ) W=55 mol (0.082 (at lt)/(mol K))353K 〖Log〗 _n ((0.5 l)/(1 l))=1103.51at*lt El trabajo realizado a temperatura constante es de 1103.51 atmosferas por litro Isobárico: trabajo realizado a presión constante de 1 atmosfera durante la cocción de alimentos donde primero se tenía un volumen de 3 litros de agua y al terminar quedo 2.5 litros. W=P (V_2-V_1) W=1 at (2.5l-3l)=-0.5 at*lt El trabajo realizado en este proceso es de -0.5 at por litro, quiere decir que el sistema cedió energía al ambiente haciendo una descompresión de 0.5 atmosferas en un litro. en un cilindro con un pistón de has helio se encuentran 15 gramos a 15º y 150 Kpa , si el gas se expande hasta los 30 litros a presión constante ¿cual es el volumen inicial y el trabajo? n=15 gr( (1 mol He)/(8 gr/mol))=1,875 mol He V_1=(nRT_1)/P_1 =(1,875mol(8,31 J/(mol K))288 K)/(150000 pa) 〖 V 〗 _(1=0.0299 m^3 )
W=P(V_2-V_1 )= 150000pa(0.03m^3-0.029 m^3 )=150J El trabajo realizado es de 150 Julios isobárico: ebullición de 2 litros de agua sin tapar a presión constante de 1 atmosfera (101,325 pa) hasta que alcanza un volumen de 0, 9 litros V_1=2 lt (〖1m〗^3/1000lt)=0.002 m^3 V_2=0.9 lt (〖1m〗^3/(1000 lt))=0.0009 m^3 W=101,325pa(0.0009-0.002) m^3 W=0.1114 J En el proceso hay una trasmisión de energía al sistema y el trabajo calculado es 0.1114 J 2,0 moles de hidrógeno (4 gr) son comprimidos adiabáticamente hasta un volumen de 10 L. Para el hidrógeno γ = 1,41. Calcule la presión y temperatura y trabajo final del gas considerado. Inicial: P 1 = 1 atm; V1= 2(22,4)= 48,4 L; T1= 273 K; n = 2; γ = 1,41. Final: P 2 = ?; V 2 = 10 L; T2 = ?; n = 2; γ = 1,41. P1(V1)^γ = P2(V2)^γ ⇒P2= (P1(V1)^γ )/( (V2)^γ ) P2= (44,8/10 )^1,41= 8,30 atm T2= P2V2/nR = (8,30atm 10L)/(2 mol 0,0821 (at L)/(mol K)) = 505 K = 232 ºC. W= 1/(1,41-1) [P_f V_f-P_0 V_0 ] W= 1/(1,41-1) [8,30at 10l-1at 44.8l] =93.17 At*lt Trabajo de 2 moles de un gas en un pistón móvil de un carro que se encuentra a 40ºC con un volumen inicial de 8 litro y un volumen final de 10 litros. W=2 mol (0.082 (at lt)/(mol K))313K 〖Log〗 _n ((10 l)/(8 l))=11.45 at*lt Un mol de gas que se calienta a 72º C hasta alcanzar 90ºC a una presión constante de 70 KPa W=70pa(363-345)K=1260 Pa*K CONCLUSIONES
Una expansión isobárica es en el cual se lleva a cabo un proceso en donde un gas se expande Las magnitudes que sufren una variación al pasar de un estado a otro d eben estar perfectamente definidas en dichos estados inicial y final. En las actividades diarias se lleva a cabo la ley cero de la termodinámica donde todo entra en un sistema de equilibrio. Es difícil encontrar procesos adiabáticos, en el común.
Bibliografía Tangarife, R. D. (Julio de 2009). Remodinamica. Palmira, Colomba.
Plancha de ropa. Una plancha es un electrodoméstico que sirve para alisar la ropa quitándole las arrugas y las marcas. La plancha trabaja aflojando los vínculos entre las cadenas largas de moléculas de polímero que existen en las fibras del material. Las fibras se estiran y mantienen su nueva forma cuando se enfrían. Esto lo logra con calor, ya que funciona como una Resistencia calentadora con peso. Algunos materiales como el algodón requieren el empleo de agua para aflojar los lazos intermoleculares. Sin duda la plancha es un ejemplo claro de la utilidad que tiene la energía térmica en la vida diaria de las personas.
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Enviado por: do39 06 noviembre 2012 Tags: Palabras: 2455 | Páginas: 10 Views: 319
TRABAJO COLABORATIVO 1 TERMODINAMICA RUBEN DARIO MUNERA TANGARIFE
TUTOR UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS AGRÍCOLAS, PECUARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE PROGRAMA DE INGENIERIA AMBIENTAL 18 DE OCTUBRE 2012 CONTENIDO Página INTRODUCCIÓN 3 1. OBJETIVOS 4 1.1 Objetivo General 4 1.2 Objetivos Específicos 4 2. DIEZ EJEMPLOS DE SISTEMAS TERMODINÁMICOS EN EL HOGAR CON EL CÁLCULO DE SUS CONSUMOS ENERGÉTICOS 5 3. COMPARACIÓN DEL CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA CON EL CONSUMO DE GAS PARA HERVIR UN LITRO DE AGUA 11 4. DIEZ EJEMPLOS EN EL HOGAR O EMPRESA EN DONDE SE REALICE UN CÁLCULO DE TRABAJO EN SISTEMAS ISOTÉRMICO, ISOBÁRICO, ISOCÓRICO Y ADIABÁTICO 12 CONCLUSIONES 19 BIBLIOGRAFÍA 20
INTRODUCCIÓN La termodinámica es la rama de la física que estudia la energía, la transformación entre sus distintas manifestaciones, es así como en muchas situaciones de nuestra vida cotidiana vamos a encontrar innumerables casos de termodinámica ante los cuales no estamos conscientes pero son tan normales en nuestras vidas como lo puede ser el hecho de calentar algún alimento, poner a enfriar un jugo en la nevera, abrir una ventana para enfriar una habitación, encender un motor de un vehículo, recibir el calor del sol en las mañanas; es así como durante el siguiente documento trataremos de analizar varios ejemplos de nuestra vida cotidiana para estudiarlos y determinar como
estos procesos trasforman y transmiten gran cantidad de energía con tan solo variar un poco la temperatura.
1. OBJETIVOS 1.1 Objetivo General Mediante el uso de la teoría de la termodinámica se determinaran en casos de la vida real su aplicación y evaluación de consumos energéticos, así como aplicación de la Ley Cero, Trabajo y Primera Ley de la Termodinámica. 1.2 Objetivos Específicos Determinar matemáticamente mediante el uso de la teoría y las ecuaciones de Termodinámica el consumo energético en algunos casos de la vida cotidiana. Analizar el consumo energético para un caso en donde se utilice energía eléctrica y gas domiciliario. Analizar las variaciones y plantear situaciones ideales que permitan el estudio apropiado de los casos de termodinámica, reconociendo las diferencias entre isotérmico, isobárico, isocórico y adiabático; aplicado a ejemplos de la vida real.
2. DIEZ EJEMPLOS DE SISTEMAS TERMODINÁMICOS EN EL HOGAR CON EL CÁLCULO DE SUS CONSUMOS ENERGÉTICOS Ejemplo 1: A una taza de te recién preparado (150 gr.) con agua hirviendo se le agrega un poco de leche fría a 2ºC sacada del refrigerador. ¿Cuánta leche debo agregar para que el té con leche quede a 85ºC? Cp del agua = 1 cal/gr. K y Cp de la leche = 0.8 cal/gr. K Solución Se aplica la primera ley para sistemas cerrados (masa inicial 150gr. + mL) dU = ∂Q - ∂w dH – PdV – VdP = ∂Q - PdV PdV se cancelan y VdP se anula porque dP=0 P es cte.) ∂Q = dH y si suponemos que no hay pérdidas de calor dH=0
Como hay dos sustancias l(leche y agua) es conveniente separa el proceso en dos: “lo que le pasa” al agua y “lo que le pasa” a la leche: ∆H = ∆HA + ∆HL ∆H = mA∆HA+mL∆L=0 Donde Q=c.m.∆T se despeja mL quedando mL = -mA [∆HA/∆HL] = -mA [ČPA(T2A -T1A)/ ČPL(T2L-T1L)] Reemplazando valores: m_A=150gr C_PA=1cal/gr C_PL=0.8cal/gr T_1A=100ºC=373ºK T_2A=85ºC=358ºK T_1L=2ºC=275ºK T_2L=85ºC=358ºK m_L=-150*[(1*(358-373))/(0.8*(358-275) )] m_L=33.89gr Ejemplo 2: Debo calentar 1 lt. (1 Kg.) De agua contenida en una tetera desde la temperatura del agua de la llave (T1) hasta que el agua hierva (T2). T1=20ºC y T2=100ºC a) ¿Cuánta energía en forma de calor debo agregar? Solución partimos de la ecuación Q=c.m.∆T Con T1=20ºC (293K), T2=100ºC=373K y ČP=1 (cal/gr. K), resulta Q=1000gr*1cal/grK*(373ºk-293ºk) Q = 80000 cal
Ejemplo 3: Se calentó un carbón para un asado sobre una mesa cuya superficie es de mármol y su masa es de 20 kg, si la temperatura a la que ha quedado es de 150ºC , determinar el calor perdido hasta que la placa de la mesa de mármol llegue a la temperatura ambiente de 20ºC. Solución Partimos de la ecuación Q=c.m.∆T Con T1=20ºC (293K), T2=100ºC=373K y Čm=0.21 (cal/gr. K), resulta Q=20000gr*0.21cal/grK*(293ºk-423ºk) Q = 546000 cal Ejemplo 4: Debo enfriar 250 ml. de jugo (aprox 0.25 Kg.) contenido en un envase desde la temperatura ambiente (T1) 26ºC, hasta los 4ºC (T2). T1=26ºC y T2=4ºC a) ¿Cuánta energía en forma de calor debe perder el jugo? Solución a) Partimos de la ecuación Q=c.m.∆T Con T1=20ºC (293K), T2=100ºC=373K y ČP=1 (cal/gr. K), resulta Q=1000gr*1cal/grK*(373ºk-293ºk) Q = 80000 cal Ejemplo 5: Se ha calentado una tasa de café hasta los 60ºC, suponiendo que el material del envase esta hecho de material adiabático y tiene contacto con el aire en la parte superior de 0.0007m2, determinar la tasa de trasferencia de calor si la temperatura final del café será la temperatura ambiente 26ºC. a) ¿Cuánta energía en forma de calor debo agregar? Solución Area de contacto de cafe con aire= 0.0007m2 K aire=200W/mk Tº1=60ºc
Tº2=26ºc (temperatura ambiente) Q=K*A*(Tº1-Tº2) Q=4.8w (tasa de transferencia) Ejemplo 6: En la oficina hay una pared que siempre le llegan los rayos solares de la tarde, en cierto punto en la parte exterior se puede medir una temperatura de 50ºC y al interior una temperatura de 25ºC, si la pared mide 3.0mX2.4mm, 20 cm de espesor y una conductividad térmica de 0.7W/(mK), determine la tasa de transferencia de calor. Solución Partimos de la ecuación Q=k1.A.∆T/∆x Q=0.7(W/mK)*(3m*2.4m)*(25k/0.2m) Q = 630w Ejemplo 7: En la casa hay una ventana por la cual ingresa una gran cantidad de calor, las medidas de la ventana son 2.5mX1.4m y 4mm de espesor, hallar la variación de calor en la unidad de tiempo si la temperatura exterior del vidrio es de 35ºC y la temperatura interior es de 20ºC. Solución Partimos de la ecuación H=k1.A.∆T/∆x Área ventana=3.5m2 K1= 0.84 H=0.84(W/mK)*(3.5m2)*(15k/0.004m) Q = 11025J/s Ejemplo 8: En un termo adiabático se genera una expansión de 0.2 L de aire a 300 kPa y 30 °C. Cuál será la variación de energía interna cuando la presión es de 200 kPa?. Solución: γ_aire=1.4
V_2=V_1 〖(300kPa/200kPa)〗^(1/γ_aire )=0.27 L W_2=(200kPa(0.276)-300kPa(0.2))/(-0.4)=15 J Dado que el sistema es adiabático, el calor es cero 0- W=∆U -15 J=∆U Ejemplo 9: Mi hogar recibió cierta cantidad de energía en el mes de julio reflejada en un costo fijo de 12165 pesos, si el costo unitario es 675.848 pesos/m3 , cuanta energía recibió mi hogar en el mes de julio? Solución: 12165pesos((1m^3)/(675.848 pesos))=18 m^3 Debemos primero tener el calor de combustión en volumen calor combustion=215 Kcal/mol (1mol/16g)(0.000717g/(1cm^3 ))((1000000cm^3)/(1m^3 ))=9635Kcal/m^3 Por lo tanto 18m^3 (9635Kcal/m^3 )=173424 Kcal Ejemplo 10: Un gas se encuentra a 0.8 atm y 27 ºC y tiene una masa molar de 87 g/mol. ¿Cuál es el volumen específico de este gas, en litros/kg?, Solución: De la ecuación de los gases ideales con el volumen especifico explicitado, tenemos ya todos los datos para hacer el calculo: Pv=RT/M v=RT/PM=(8.314 (m^3 pa)/(mol k)*300K)/([0.8atm 101325pa/1atm]*87 g/mol)=0.00035 m^3/g [(1000g*1000L)/(1kg*〖1m〗^3 )]=353.45 L/Kg 3. COMPARACIÓN DEL CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA CON EL CONSUMO DE GAS PARA HERVIR UN LITRO DE AGUA
Para realizar esta comparación respecto al calentamiento de un litro de agua, ya previamente teníamos el valor energético de este calentamiento 80000cal. Por tanto lo faltante es extrapolar este dato al valor en gas y en energía eléctrica. Gas Tenemos 80kcal Este es el calor que ofrece el gas en su combustión, así mismo de la factura del gas tenemos el valor del metro cubico en 675.848 pesos/m3 80Kcal m^3/9635Kcal=0.0083 m^3 0.0083 m^3 ((675.848 pesos)/(1 m^3 ))=5.61 pesos Eléctrico De la factura de energía tenemos el valor del kwh en 272.14 pesos/Kwh 80 Kcal(4.187Kj/1Kcal)=334.96 Kj 272.14 pesos/kWh (1kWh/(1KJh/seg (3600seg/1h) ))=0.076 pesos/kJ 334.96 Kj(0.076 pesos/kJ )=25.45 pesos Es evidente que el gas es más barato, calentar eléctricamente el agua es aproximadamente cinco veces más costoso que calentar con gas. CONSUMO DE GAS PARA HERVIR 1LITRO DE AGUA Tomando la medida inicial en el medidor este marcaba 00929.68m3, al terminar de hervir el agua se tomo la nueva lectura del medidor y este marcaba 009296.84m3. Dado lo anterior tenemos que el consumo de gas domiciliar fue 0.16m3 Si tenemos que 1m3 de gas=11.7977kwH 0.16m3 de gas=1.8876kwH 1kwh=3600kj 1.8876kwH=6795.475kJ=6795475j por lo tanto 6795475*1cal/4.184J=1624157.55cal=1624.16kcal De acuerdo a lo anterior tenemos que el consumo energético para hervir 1 litro de agua con gas es de 1624.16kcal CONSUMO DE ENERGIA ELECTRICA PARA HERVIR 1LITRO DE AGUA
Tomando la medida inicial en el medidor este marcaba 26291.1kwh, al terminar de hervir el agua se tomo la nueva lectura del medidor y este marcaba 26292.1kwh. Dado lo anterior tenemos que el consumo de energía eléctrica fue 1.0kwh Si tenemos que 1.0kwH=3600kJ=3600000j por lo tanto 3600000*1cal/4.184J=860420.65cal=860.42kcal De acuerdo a lo anterior tenemos que el consumo energético para hervir 1 litro de agua con energía eléctrica es de 860.42 kcal 4. DIEZ EJEMPLOS EN EL HOGAR O EMPRESA EN DONDE SE REALICE UN CÁLCULO DE TRABAJO EN SISTEMAS ISOTÉRMICO, ISOBÁRICO, ISOCÓRICO Y ADIABÁTICO Ejemplo 1: Una olla a presión es un sistema termodinámico donde el volumen será constante. Este proceso se conoce como isocórico. Sin embargo se tiene que para un proceso sin variación de trabajo. W=0 Ejemplo 2: En un termo adiabático se da la compresión de aire la cual requiere un trabajo exterior de 350 kJ que lo provee un motor eléctrico, para 1 mol a 300 K y 100 kPa. Cual será su energía interna? Será un proceso isotérmico? Cual es el precio del proceso? Solución: Se tiene por primera ley que Q- W=∆U Al ser adiabático la transferencia de calor es cero, por tanto - W=∆U -(-350 J)=350=∆U Al existir cambio de energía interna, el sistema no es isotérmico Se tiene con anterioridad que para energía eléctrica 0.076 pesos/kJ Por tanto
350 J (1kJ/1000J)(0.076 pesos/kJ)=0.03 pesos Ejemplo 3: Ejemplo de adiabático Conservación de alimentos a bajas temperaturas. El gas, no permite el cambio de calor con los alrededores, se somete a una comprensión, disminuyendo su volumen de 0.0008 a 0.003m3. Si se mantuvo durante el proceso, una presión constante de 3 atmosfera, calcular. El trabajo mecánico que se realizo sobre el sistema la variación de energía interna. Pr= 3 atmósfera Vi = 0.0008m3 Vf = 0.003m Tr = ? J△E = ? Q=0 Pr = 3atm 1013*10 Pa = 3039 * 10 N/m Tr= Pr (Vf – Vi) 3039 * 10 N/m (0,003m-0.008m) = (-0.005m) = 1519 NM = 1519 Ejemplo 4: Ejemplo Isocórico Un volumen de aire atmosférico contenido en un balón de vidrio herméticamente cerrado, es calentado por baño de maría para observar el funcionamiento de las variables temperatura y presión. No. Presión mmHg Temperatura 1 43 35.6 2 61 37.2 3 90 43.5 4 110 48.3 Ley de Gay Lussac. La presión de un gas contenido en un recipiente, es directamente proporcional a la temperatura manteniendo su volumen constante
Ejemplo 5: Ejemplo de proceso isotérmico, ¿Cuál es el trabajo (J) si 0.025 moles de N2 a temperatura constante de 230C se expande? W = Nrt in =0.225mol/oK * 296K in 878/728= 103.6 julios AU = 0 △ V = Q – W
Q = W PV= n RT 0.75 VA = 022 * 0.082.296 VA= 7.28 Litros VA = 878 Ejemplo 6: Para secar la fachada de mi casa después de pintarla se me ocurre con aire comprimido, a partir de una condición inicial de 1 bar y 25 °C hasta alcanzar un estado final de 5 bar y 25 °C. Este proceso ocurre con un calentamiento (T=1490.75 K) a volumen constante seguido por un enfriamiento a presión constante. Calcule el calor transferido. Se dan las siguientes condiciones C_v=20.785 y C_p=29.099 J mol^(-1) K^(-1) V_1=0.02479 y V_2=0.004958 m^3 Para la primera etapa se tiene que W=0 Por lo tanto Q=∆U=C_v ∆T=24788 J Por otra parte ∆H=C_p ∆T=29.099(1490.75-298.15) Para la segunda etapa a presión constante se tiene que
Q=∆H=C_p ∆T=29.099(298.15-1490.75)=-34.703 J ∆U=C_v ∆T=20.785(298.15-1490.75)=-24788 J Teniendo W=∆U-Q=-24788-(-34703)=9915 J Para todo el proceso Q=24788-34703=-9915 W=9915+0=9915 J Ejemplo 7: Esta misma compresión puede ocurrir en otro proceso mecánicamente reversible a partir de una compresión isotérmica. Calcule trabajo y calor requeridos Se tiene que para la compresión isotérmica de un gas ideal ∆U=∆H=0 Tenemos entonces que la expresión Q=- W=P∆V En su forma desarrollada es Q=-W=RTln(P_1/P_2 ) Obteniendo Q=-W=(8.314)(298.15)ln(1/5)=-3990 J Ejemplo 8: Un gas de acondicionamiento, en el centro comercial en el que como los viernes, se encuentra en un recipiente rígido a 4 ºC y 221 kPa se calienta hasta que la presión es de 236.15 kPa. La temperatura final de este gas, en ºC, es: despejando la relación presióntemperatura de la ecuación de gases ideales, tenemos que el término de la izquierda es constante, de tal manera que la relación presión-temperatura en el e stado 1 y 2 son iguales, y de esta expresión despejamos la temperatura final P/T=nR/v=c P_1/T_1 =P_2/T_2 T_2=(P_2 T_1)/P_1 =(236.15Kpa*277K)/221.15Kpa=295.98 K
Ejemplo 9: Para secar la pintura de las paredes de mi cuarto, se me ocurrió utilizar un compresor de aire. Este aire tiene un volumen de 0.02271 m3/mol a 0 grados y 1 bar el cual consideraremos ideal con capacidades caloríficas constantes Cv=(5/2)R y Cp=(7/2)R. encuentre el volumen a condiciones ambiente En primera medida se toma como un mol de aire contenido en un imaginario pistón/cilindro, se enfría a presión constante de 1 bar hasta el volumen que se calcula V_1=(0.02271)(298.15/273.15)=0.02479 m^3 V_2=(P_1/P_2 ) V_1=(0.02479)(1/5)=0.004958 m^3 Ejemplo 10: El mismo aire del punto anterior en una segunda etapa, se mantiene a volumen constante, mientras que el aire se calienta hasta llegar a su estado final, calcule su temperatura y cambio de energía interna V_2=(298.15)(0.004958/0.02479)=59.63 K Teniendo en cuenta el proceso Isocórico, se tiene Q=∆U=c_v ∆T=20.785(298.15-59.63)=4958 J Ejemplo 11: Este mismo efecto de compresión se podría haber logra a través de un calentamiento a volumen constante seguido por enfriamiento a presión constante. Calcular la temperatura del aire al término de la primera etapa y su demanda calórica Para la temperatura se tiene que T=298.15(5/1)=1490.75 K En la primera etapa se tiene un proceso Isocórico, para el cual se uti liza Q=∆U=c_v ∆T Por consiguiente Q=(20.785)(1490.75-298.15)=24788 J Teniendo en cuenta los el proceso hecho por el aire en los numerales inmediatamente anteriores, halle el trabajo hecho en todo el proceso. El proceso completo representa la suma de sus etapas, por consiguiente.
Q=24788-34703=-9915 J ∆U=24788-24788=0 Puesto que la primera ley se puede aplicar a todo el proceso, se tiene que ∆U=Q+W 0=-9915+W En consecuencia W=9915 J
CONCLUSIONES La termodinámica es una de las principales ciencias que nos ayuda a entender la importancia de la energía en forma de calor, y nos ayuda a clarificar la manera cómo podemos involucrarlo de forma práctica y directa en nuestra vida. Además del calor, también el trabajo y las propiedades de las sustancias están involucrados en todo el conjunto de conceptos que esta encierra. Estrictamente la termodinámica fue planteada como una ciencia universal que ayuda a establecer las relaciones entre las distintas formas de energía, estudia los procesos en los que hay transferencia de energía como calor y trabajo, y las relaciones que se dan entre los fenómenos dinámicos y caloríficos (la base de la termodinámica). Se aplicaron algunas formulas para trabajar con ejercicios de la vida cotidiana, en los cuales se hallaron los valores de los cambios energéticos y tasas de transferencia en los cuales se pudo evidenciar la gran variación de energía aun con pequeños cambios de temperatura.
BIBLIOGRAFÍA Cengel, Y. & Boles M., (2009). TERMODINAMICA (sexta Edición), 1-51 Contenido didactico del curso 201015 - TERMODINAMICA http://66.165.175.205/campus12/mod/resource/view.php?id=516 Pagina de Internet µunicos http://www.youtube.com/watch?v=8KiD-cp1dKk&noredirect=1
