Energía, Transferencia de Energía y Análisis General de Energía

2.2 Formas de Energía

La energía puede existir en varias formas: térmica, mecánica, cinética, etc. y la suma de todas las energías de un sistema conforma la energía total del sistema. En termodinámica, la energía generalmente se da en términos de la unidad de masa y se denomina por e
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Se utilizarán letras mayúsculas para denotar la energía del sistema incluyendo la masa y letras minúsculas para situaciones con energías con respecto a la masa.

La suma de todas las formas microscópicas de energía se denomina energía interna de un sistema y se denota mediante U.

Como recordatorio, se presentarán las ecuaciones de energía cinética (EC) y energía potencial (EP)
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por lo tanto, la Energía Total de un sistema es
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y por unidad de masa
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Los sistemas cerrados por lo general permanecen estacionarios y por lo tanto no experimentan cambios de energía cinética y potencial.


2.3 Transferencia de energía por calor

La energía puede cruzar la frontera de un sistema cerrado en dos formas distintas: calor y trabajo. La dirección de la transferencia de energía es siempre del cuerpo con mayor temperatura al de menor temperatura.

El calor está definido como la forma de energía que se transfiere entre dos sistemas debido a una diferencia de temperatura.

Un proceso en el cual no existe transferencia de calor se denomina proceso adiabático.

El calor se representa con la letra Q o q y tiene unidades de kilojoule (kJ) o kilojoule por kilogramo (kJ/kg). Esta última se utiliza cuando la transferencia de energía se da por unidad de masa.

2.4 Transferencia de energía por trabajo

Si la energía que cruza la frontera de un sistema cerrado no es calor, debe ser trabajo. El trabajo es la transferencia de energía relacionada con una fuerza que actúa a lo largo de una distancia. Se representa con W o w y tiene las mismas unidades que la transferencia de calor (kJ y kJ/kg).
El trabajo realizado por unidad de tiempo (W/s) se llama potencia, se denota con W (W con un punto encima) y su unidad es kJ/s o kW.

Convención de signos

Es importante definir ahora una convención de signo para la transferencia de energía, se utilizará la convención clásica de signos, la cual dice lo siguiente:

"La transferencia de calor hacia un sistema, y el trabajo hecho por un sistema son

positivos; la transferencia de calor desde un sistema y el hecho sobre un

sistema son negativos"


Esto se puede resumir a la siguiente frase: "Dar trabajo y recibir calor es positivo"



Los procesos termodinámicos ocurren de cierta forma específica, y con cierta "trayectoria". La importancia de esta trayectoria radica que el trabajo que se realice (o que realice) el sistema viene dada por la integral de dicha trayectoria.
Si existe alguna función sobre esta trayectoria, esta toma el nombre de funciones de trayectoria y tienen diferenciales inexactas (representados por la letra δ) mientras que las propiedades son funciones de punto y por lo tanto tienen diferenciales exactas (d). ¿Cómo afecta esto?
Si no fuera una integral de trayectoria, bastaría con valuar los datos obtenidos para ambos estados, inicial y final, y encontrar la diferencia. Sin embargo, para las integrales de trayectoria, los valores no se pueden encontrar de una forma tan sencilla; se tiene que integrar por toda la trayectoria. Es decir, que el valor total se obtiene al seguir la trayectoria del proceso y sumar las cantidades diferenciales efectuadas a lo largo de la trayectoria. Esto se traduce, aplicado al trabajo como lo siguiente:

"La integral de δW NO ES W2 - W1 porque esto solo es válido en

características de estado, y el trabajo no es característica de estado."


Tipos de Trabajo

Existen distintos tipos de trabajo. Se presentarán los más comunes que interesan en el estudio de la termodinámica a continuación:

- Trabajo Eléctrico

El trabajo eléctrico se encuentra por las siguientes ecuaciones:

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Donde V es el voltaje e I es la corriente (en amperios). Si tanto V como I son constantes durante algún intervalo de tiempo Δt, la ecuación se reduce a
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2.5 Formas mecánicas del trabajo

La forma más útil de aprovechar la energía es con trabajo, y la forma más útil de trabajo es con trabajo mecánico. Entre los tipos de trabajo que se encuentran están los siguientes:
  • Trabajo de flechas o de ejes
  • Trabajo de resorte
  • Trabajo hecho sobre barras sólidas elásticas
  • Trabajo relacionado con el estiramiento de una película líquida
  • Trabajo hecho para elevar o acelerar un cuerpo

También existen otros tipos de trabajo, como el trabajo eléctrico, el magnético y el trabajo de polarización eléctrica que no son mecánicos.

2.6 La primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica, también llamado principio de la conservación de la energía, indica lo siguiente:

"La energía no se puede crear ni destruir durante un proceso; sólo puede cambiar de forma"

Gracias a este principio, se puede tener un método de contabilidad de energía en el sistema, sabiendo que:

Toda energía que entra, debe salir del sistema, ya sea como desecho o como trabajo.

Esto genera la siguiente ecuación:
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Lo que se conoce como Balance de Energía.
La ecuación anterior puede desarrollarse para tener todos (o los términos más generales) de intercambio de energía al proponerlo de la siguiente forma:
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El conjunto de términos que denotan la masa se aplican únicamente si existe un flujo másico.

2.7 Eficiencia en la conversión de energía

Es muy sabido que la energía que se suministra a un sistema no se recupera completamente. Parte de ella se pierde en irreversibilidades (fricción), calor, y vibraciones como lo es el sonido.
El desempeño del sistema se puede encontrar de la siguiente forma:
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Esta definición es la más general y se denota por η.
Si el sistema posee las eficiencias de sus componentes, entonces la eficiencia global del sistema será la multiplicación de estos términos:
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Eficiencia de dispositivos mecánicos y eléctricos

La eficiencia al convertir una forma de energía mecánica en otra se puede definir de la siguiente forma:
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ahora bien, dependiendo del componente mecánico, la definición de eficiencia varía, sin embargo se basa en el mismo hecho de no poder aprovechar por completo la energía suministrada. La forma de calcular la eficiencia se presentará en capítulos posteriores.