Primera ley de la termodinámica

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Esta ley es el conocido principio de conservación de la energía, el cual establece que la energía no se puede crear ni destruir, solo transformar. Esta ley es la que relaciona el trabajo W, el calor Q y la energía total E por medio de una ecuación.

Balance de energía

El principio de conservación de la energía se expresa así: el cambio neto en la energía total del sistema durante un proceso es igual a la diferencia entre la energía total que entra y la energía total que sale del sistema durante el proceso.

\[ \Delta E_{sistema} = E_{entrada} - E_{salida} \]

Cambio de energía de un sistema, ΔEsistema

\[ \Delta E_{sistema} = E_{final} - E_{inicial} = E_2 - E_1 \]

La energía puede existir en numerosas formas: interna, bien sea sensible, latente, química o nuclear, cinética, potencial, eléctrica y magnética. La suma de ellas constituye la energía total E de un sistema. Si no existen efectos eléctricos, magnéticos y de tensión superficial, solo en sistemas compresibles simples, el cambio en la energía total durante un proceso es la suma de los cambios en sus energías interna, cinética y potencial. Es decir,

\[ \Delta E = \Delta U + \Delta EC + \Delta EP \]

donde u1 y u2 son las energías internas específicas en los estados 1 y 2 respectivamente.

Primera ley para sistemas estacionarios

Un sistema estacionario es aquel que no tiene cambios en su velocidad ni en su elevación durante un proceso. En la práctica, la mayoría de los sistemas son estacionarios.

Si esto se cumple,

\[ \Delta EC=0~~~y~~~\Delta EP=0 \]

y la relación de cambio de energía total se reduce a:

\[ \Delta E = \Delta U \]

Como la energía puede ser transferida en forma de calor, trabajo y masa, el balance de energía se expresa así:

\[ \Delta E_{sistema} = E_{entrada} - E_{salida} \]

\[ \Delta E_{sistema} = \left( Q_{entrada} - Q_{salida} \right) + \left( W_{entrada} - W_{salida} \right) + \left( E_{masa,entrada} - E_{masa,salida} \right) \]

Los seis valores de la derecha son cantidades y son medidas positivas. La dirección de las transferencias de energía se describe por los subíndices "entrada" y "salida".

En forma de tasa

\[ \dot{E_{entrada}} - \dot{E_{salida}} = \frac{dE_{sistema}}{dt},~~~(kW) \]

Para tasas constantes y durante un intervalo de tiempo Δt las relaciones son:

\[ Q = \dot{Q} \Delta t,~~~(kJ) \]

\[ W = \dot{W} \Delta t,~~~(kJ) \]

\[ \Delta E = \frac{dE}{dt} \Delta t,~~~(kJ) \]

El balance por unidad de masa sería:

\[ e_{entrada} - e_{salida} = \Delta e_{sistema} \]

Para un sistema cerrado que experimenta un ciclo, los estados inicial y final son los mismos, por lo cual la energía del sistema es la misma en el estado 1 y en el estado 2, por lo cual ΔE = 0.

En los ejercicios de esta sección se ilustra la forma de utilizar la ecuación de esta primera ley.

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