Energía, transferencia de energía y análisis general de energía

Capitulo 2
Energía, transferencia de
energía y análisis general de
energía
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Objetivos
• Introducir el concepto de energía y definir sus diversas formas.
• Discuta la naturaleza de la energía interna.
• Definir el concepto de calor y la terminología asociada con la transferencia de
energía por calor.
• Definir el concepto de trabajo, incluido el trabajo eléctrico y varias formas de
trabajo mecánico.
• Introducir la primera ley de la termodinámica, los balances de energía y los
mecanismos de transferencia de energía hacia o desde un sistema.
• Determine que un fluido que fluye a través de una superficie de control de un
volumen de control transporta energía a través de la superficie de control
además de cualquier transferencia de energía a través de la superficie de control
que puede ser en forma de calor y/o trabajo.
• Definir las eficiencias de conversión de energía.
• Discutir las implicaciones de la conversión de energía en el medio ambiente.

2–1 Introducción1
Si tomamos la totalidad
habitación, incluido el aire y el
refrigerador (o ventilador)—
como el sistema, que es un
sistema cerrado adiabático ya
que la habitación está bien
sellada y bien aislada, la única
interacción de energía
involucrada es laenergía
eléctrica cruzando la frontera del
sistemay entrando en la
habitación.
Como resultado de la conversión
de la energía eléctrica
consumida por el dispositivo en
calor,la temperatura de la
habitación subirá.
Figura 2–1
Un refrigerador operando con su puerta abierta en
una habitación bien sellada y bien aislada.
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mostrar.

2–1 Introducción2
Figura 2–2
Un ventilador funcionando en una habitación bien sellada y bien aislada elevará la
temperatura del aire en la habitación.
mostrar.

2–2 Formas de energía1
La energía puede existir en numerosas formas, como térmica, mecánica,
cinética, potencial, eléctrica, magnética, química y nuclear, y su suma
constituye laenergía total,mi de un sistema
La termodinámica se ocupa sólo de lacambio de la energía total.
Formas macroscópicas de energía.:Las que posee un sistema como un todo
con respecto a algún marco de referencia externo, como las energías cinética y
potencial.
Formas microscópicas de energía.:Los relacionados con la estructura
molecular de un sistema y el grado de actividad molecular.
Energía interna,tu: La suma de todas las formas microscópicas de energía.

Figura 2–3
Se encuentran al menos seis formas diferentes de energía al llevar energía de una planta
nuclear a su hogar: nuclear, térmica, mecánica, cinética, magnética y eléctrica.
mostrar.
mostrar.

Energía cinética, Kmi:La energía que posee un sistema como resultado de su
movimiento relativo a algún marco de referencia.
Energía potencial, PMI: La energía que posee un sistema como resultado de su
elevación en un campo gravitatorio.
Figura 2–4
La energía macroscópica de un objeto cambia con la velocidad y la elevación.
mostrar.

 
2
KE kJ
2
V
m
 Energía cinética
 
2
Ke kJ/kg
2
V
 Energía cinética por unidad
de masa
PE mgz
 Energía potencial
 
pe kJ/kg
gz
 Energía potencial por unidad
de masa
 
2
KE PE kJ/kg
2
V
E U U m mgz
      Energía total de un sistema
 
2
ke pe kJ/kg
2
V
e u u gz
      Energía de un sistema por unidad
de masa
 
kJ/s or kW
E me
 Tasa de flujo de
energía

Figura 2–5
Caudales de masa y energía asociados con el flujo de vapor en una tubería de diámetro
interiorDcon una velocidad media deVpromedio.
mostrar.
Caudal másico:  
kg/s
c avg
m V AV
 
 
Tasa de flujo de
energía:
 
kJ/s or kw
E me


Algo de información
física sobre la energía
interna
Energía sensible:La porción de la
energía interna de un sistema
asociada con las energías cinéticas
de las moléculas.
Energía latente: La energía interna
asociada con la fase de un sistema.
Energía química: La energía
interna asociada con los enlaces
atómicos en una molécula.
Energía nuclear: La tremenda
cantidad de energía asociada con los
fuertes enlaces dentro del núcleo del
átomo mismo.
Figura 2–6
Las diversas formas de energías
microscópicas que constituyen energía.
mostrar.

Térmica = Sensible + Latente
Interno = Sensible + Latente + Químico + Nuclear
Figura 2–7
La energía interna de un sistema es la suma de todas las formas de las energías
microscópicas.
mostrar.

La energía total de un sistema puede estar contenida o almacenada en
un sistema y, por lo tanto, puede verse como elformas estáticas de
energía.
Las formas de energía no almacenadas en un sistema pueden verse
como laformas dinámicas de energía o comointeracciones de
energía.
Las formas dinámicas de energía se reconocen en el límite del sistema a
medida que lo cruzan y representan la energía ganada o perdida por un
sistema durante un proceso.
Las únicas dos formas de interacciones de energía asociadas con un
sistema cerrado son
– hcomer transferencia
– trabajar
La diferencia entre transferencia de calor y trabajo:Una
interacción de energía es transferencia de calor si su fuerza
impulsora es una diferencia de temperatura. De lo contrario, es
trabajo.

Figura 2–8
La energía cinética macroscópica es una forma organizada de energía y es mucho
más útil que las energías cinéticas microscópicas desorganizadas de las moléculas.
mostrar.

Más sobre energía nuclear
Los más conocidosfisión La reacción involucra la división del átomo de
uranio (el isótopo U-235) en otros elementos y se usa comúnmente para
generar electricidad en plantas de energía nuclear, para impulsar submarinos
nucleares y portaaviones, e incluso para impulsar naves espaciales y construir
bombas nucleares.
Energía nuclear porfusión se libera cuando dos núcleos pequeños se
combinan en uno más grande.
La reacción de fusión descontrolada se logró a principios de la década de
1950, pero todos los esfuerzos realizados desde entonces para lograr la fusión
controlada mediante láseres masivos, campos magnéticos potentes y
corrientes eléctricas para generar energía han fracasado.

Figura 2–9
La fisión del uranio y la fusión del hidrógeno durante las reacciones nucleares, y la
liberación de energía nuclear.
mostrar.

Energía mecánica
Energía mecánica:La forma de energía que se puede convertir en trabajo mecánico de
forma completa y directa mediante un dispositivo mecánico ideal, como una turbina
ideal.
Energías cinéticas y potenciales: Las formas familiares de energía mecánica.
2
mech
2
P V
e gz

  
Energía mecánica de un
fluido que fluye por unidad
de masa
2
mech mech
2
P V
E me m gz

 
   
 
 
Tasa de energía mecánica
de un fluido que fluye.
Cambio de energía mecánica de un fluido durante el flujo incompresible por
unidad de masa
   
2 2
2 1 2 1
mech 2 1 kJ/kg
2
P P V V
e g z z

 
    
Tasa de cambio de energía mecánica de un fluido durante un flujo
incompresible
   
2 2
2 1 2 1
mech mech 2 1 kW
2
P P V V
E m e m g z z

 
 
      
 
 

Figura 2–11
La energía mecánica es un concepto útil para los flujos que no implican una
transferencia de calor o una conversión de energía significativas, como el flujo de
gasolina de un tanque subterráneo a un automóvil.
mostrar.
@ altrendo imágenes/Getty Images RF

Figura 2–12
La energía mecánica se ilustra mediante una turbina hidráulica ideal acoplada con un
generador ideal. En ausencia de pérdidas irreversibles, la potencia máxima producida es
proporcional a (a) el cambio en la elevación de la superficie del agua desde el
reservorio aguas arriba hasta el reservorio aguas abajo o (b) (vista de cerca) la caída en
la presión del agua desde aguas arriba hasta aguas abajo. aguas abajo de la turbina.
mostrar.
mostrar.

2–3 Transferencia de energía por calor1
Calor: La forma de energía que se transfiere entre dos sistemas (o un sistema y
su entorno) en virtud de una diferencia de temperatura.
Figura 2–14
La energía puede cruzar los límites de
un sistema cerrado en forma de calor y
trabajo.
mostrar.
Figura 2–15
La diferencia de temperatura es la fuerza
impulsora para la transferencia de calor.
Cuanto mayor sea la diferencia de
temperatura, mayor será la tasa de
transferencia de calor.
mostrar.

Transferencia de calor por
unidad de masa
 
 kJ/kg
Q
q
m
Cantidad de transferencia de calor
cuando la tasa de transferencia de
calor es constante
 
 
2
1
kJ
t
t
Q Qdt
Cantidad de transferencia de calor
cuando la tasa de transferencia de
calor cambia con el tiempo
 
Q Q t
Figura 2–16
La energía se reconoce como transferencia
de calor solo cuando cruza la frontera del
sistema.
mostrar.

Figura 2–17
Durante un proceso adiabático, un
sistema no intercambia calor con su
entorno.
mostrar.
Figura 2–18
Las relaciones entreq, q,yq·
mostrar.

Antecedentes
históricos sobre el
calor
Calóricoteoría: es unAfirma que
el calor es una sustancia fluida
llamadacalórico que es una
sustancia sin masa, incolora,
inodora e insípida que puede ser
vertido de un cuerpo a otro
Teoría cinética:Trata a las
moléculas como pequeñas bolas
que están en movimiento y por lo
tanto poseen energía cinética.
Calor:La energía asociada con el
movimiento aleatorio de átomos y
moléculas.
Figura 2–19
A principios del siglo XIX, se pensaba que
el calor era un fluido invisible llamado
calórico que fluía de los cuerpos más
calientes a los más fríos.
mostrar.

Mecanismos de transferencia de calor
Conducción:La transferencia de energía de las partículas más
energéticas de una sustancia a las adyacentes menos energéticas como
resultado de la interacción entre partículas.
Convección:La transferencia de energía entre una superficie sólida y el
fluido adyacente que está en movimiento, e involucra los efectos
combinados de conducción y movimiento de fluidos.
Radiación:La transferencia de energía debido a la emisión de ondas
electromagnéticas (o fotones).

2–4 Transferencia de energía por trabajo1
Trabajar:La transferencia de energía
asociada con una fuerza que actúa a lo
largo de una distancia.
Un pistón ascendente, un eje giratorio, y
un cable eléctrico que cruza los límites
del Sistema todos están asociados con
las interacciones de trabajo
Convención de signos formales: La
transferencia de calor a un sistema y el
trabajo realizado por un sistema son
positivos; la transferencia de calor de
un sistema y el trabajo realizado en un
sistema son negativos.
Alternativa a la convención de signos es
usar los subindices int y 0ut para indicar
la dirección.
Este es el enfoque principal en este
texto.
Figura 2–21
Especificación de las direcciones de calor y
trabajo.
mostrar.

 
kJ/kg
W
w
m
 Trabajo realizado por unidad
de masa
Figura 2–20
Las relaciones entrew, w,y .
W
mostrar.

Calor vs Trabajo
Ambos se reconocen en los límites de un sistema cuando cruzan los límites. Es
decir, tanto el calor como el trabajo son Perímetro fenómenos.
Los sistemas poseen energía, pero no calor ni trabajo.
Ambos están asociados a un proceso, no un estado.
A diferencia de las propiedades, el calor o el trabajo no tienen significado en
un estado.
Ambos son funciones de ruta (es decir, sus magnitudes dependen del camino
seguido durante un proceso así como de los estados finales).
Las propiedades son funciones
puntuales que tienen
diferenciales exactos (d).
2
2 1
1
d    
 V V V V
Las funciones de ruta tienen
diferenciales inexactos ( )
 
2
12
1
not
W W W
  


Figura 2–22
Las propiedades son funciones puntuales; pero el calor y el trabajo son funciones de
trayectoria (sus magnitudes dependen de la trayectoria seguida).
mostrar.

Trabajo
eléctrico
e
W N
 V
Trabajo
eléctrico
 
W
e
W I
 V Energía
eléctrica
Cuando la diferencia de
potencial y la corriente
cambian con el tiempo
 
2
1
kJ
e
W I dt
 V
Cuando la diferencia de
potencial y la corriente
permanecen constantes
 
kJ
e
W I t
 
V
Figura 2–27
Potencia eléctrica en términos de
resistencia.R,ActualYO,y diferencia de
potencialv
mostrar.

2–5 Formas mecánicas de trabajo1
Hay dos requisitos para que exista una interacción de trabajo entre un sistema
y su entorno:
– debe haber unfuerzaactuando en la frontera.
– el límite debeMuevete.
Trabajo = Fuerza
Distancia
 
kJ
s
W F

Cuando la fuerza no es
constante
 
2
1
kJ
W F ds
 
Figura 2-28
El trabajo realizado es proporcional a la fuerza
aplicada (F) y la distancia recorrida (s).
mostrar.

Trabajo de
eje T
T Fr F
r
  
Una fuerzaFactuando a través de un brazo
de momentorgenera un par T
 
2
s r n

 Esta fuerza actúa a través de una
distancias
   
sh 2 2 kJ
T
W Fs rn nT
r
 
 
  
 
 
trabajo de eje
La potencia transmitida a través
del eje es el trabajo del eje
realizado por unidad de tiempo
 
sh 2 kW
W nT


Figura 2–30
El trabajo del eje es proporcional al par aplicado
y al número de revoluciones del eje.
mostrar.

Figura 2–29
La transmisión de energía a través de ejes giratorios se encuentra comúnmente en la
práctica.
mostrar.

trabajo de primavera
Cuando la longitud del resorte cambia en
una cantidad diferencialdxbajo la influencia
de una fuerzaF, el trabajo realizado es
 
spring kW
W F dx
 
Para resortes elásticos lineales, el
desplazamientoXes proporcional a la fuerza
aplicada
F=kx(kN)
k:constante de resorte (kN/m)
Strabajo de
primavera
   
2 2
spring 2 1
1
kJ
2
W k x x
 
X1yX2:los desplazamientos
inicial y final
Figura 2–32
Alargamiento de un resorte bajo la
influencia de una fuerza.
mostrar.

Figura 2–33
El desplazamiento de un resorte lineal se duplica cuando se duplica la
fuerza.
mostrar.

Trabajo realizado en barras sólidas elásticas
Figura 2–34
Las barras sólidas se comportan como resortes bajo la influencia de una
fuerza.
 
2 2
elastic
1 1
kJ
n
W F dx Adx

 
 
mostrar.

Trabajo asociado
con el estiramiento
de una película
líquida
Trabajo de tensión
superficial
 
2
surface
1
kJ
s
W dA

 
2
dA bdx

2 s
F b

Figura 2–35
Estirar una película líquida con un alambre en
forma de U y las fuerzas que actúan sobre el
alambre móvil de longitudb.
mostrar.

Trabajo realizado para levantar o acelerar un cuerpo
1. La transferencia de trabajo
necesaria para elevar un cuerpo
es igual al cambio en la energía
potencial del cuerpo.
2. La transferencia de trabajo
necesaria para acelerar un cuerpo
es igual al cambio en la energía
cinética del cuerpo.
Figura 2–36
La energía transferida a un cuerpo
mientras se eleva es igual al cambio en
su energía potencial.
mostrar.

Formas de trabajo no mecánicas
Trabajo eléctrico:La fuerza generalizada es laVoltaje(el potencial
eléctrico) y el desplazamiento generalizado es elcarga eléctrica.
Trabajo magnético:La fuerza generalizada es laintensidad del campo
magnéticoy el desplazamiento generalizado es el totalMomento dipolar
magnético.
trabajo de polarización eléctrica:La fuerza generalizada es lafuerza
del campo eléctricoy el desplazamiento generalizado es elpolarización
del medio.

2–6 La primera ley de la termodinámica1
La primera ley de la
termodinámica.(el principio de
conservación de la
energía)proporciona una base sólida
para estudiar las relaciones entre las
diversas formas de energía y las
interacciones energéticas.
La primera ley establece quela
energía no puede crearse ni destruirse
durante un proceso; solo puede
cambiar formularios
primera ley:Para todos los procesos
adiabáticos entre dos estados
específicos de un sistema cerrado, el
trabajo neto realizado es el mismo
independientemente de la naturaleza
del sistema cerrado y los detalles del
proceso.
Figura 2–39
La energía no puede ser creada o
destruída; sólo puede cambiar de forma.
mostrar.

Figura 2-40
El aumento de energía de una papa en un horno es igual a la cantidad de calor que se le
transfiere.
mostrar.

Figura 2–41
En ausencia de interacciones de trabajo,
el cambio de energía de un sistema es
igual a la transferencia neta de calor.
mostrar.
Figura 2–42
El trabajo (eléctrico) realizado en un
sistema adiabático es igual al aumento en
la energía del sistema.
mostrar.

Figura 2–43
El trabajo (eje) realizado en un sistema
adiabático es igual al aumento en la
energía del sistema
mostrar.
Figura 2–44
El trabajo (límite) realizado en un sistema
adiabático es igual al aumento en la
energía del sistema.
mostrar.

Balance de energía
Total energy
entering the system
−
Total energy
leaving the system
=
Change inthetotal
energy of the system
in out system
E E E
  
El cambio neto (aumento o
disminución) en la energía total
del sistema durante un proceso
es igual a la diferencia entre la
energía total que ingresa y la
energía total que sale del sistema
durante ese proceso.
Figura 2-45
El cambio de energía de un sistema
durante un proceso es igual a laredtrabajo
y transferencia de calor entre el sistema y
su entorno.
mostrar.

Cambio de energía de un sistema,misistema
Energy change = Energy at final state Energy at initial state

system final initial 2 1
E E E E E
    
KE PE
E U
      
Cambios de energía interna,
cinética y potencial
 
 
 
2 1
2 2
2 1
2 1
1
KE
2
PE
U m u u
m V V
mg z z
  
  
  
Figura 2-46
Para sistemas estacionarios, ΔKE = ΔPE = 0;
por lo tanto Δmi= Δtu
mostrar.

Mecanismos de transferencia de energía,mienymiafuera
El balance de energía para cualquier sistema que experimente cualquier tipo de
proceso se puede expresar de manera más compacta como
 
in out system
Net energy transfer Change in internal, kinetic
by heat, work, and mass potential, etc., energies
KJ
E E E
   (2–35)
o, en elformulario de
tasa, como
 
in out system
Rate of net energy transfer Rate of change in internal,
by heat, work, and mass kinetic, potential, etc., energies
Kw
E E E
   (2–36)
Para tasas constantes, las cantidades totales durante un intervalo de tiempo Δtestán
relacionados con las cantidades por unidad de tiempo como
 
, , and KJ
dE
Q Q t W W t E t
dt
 
      
 
 
(2–37)

Mecanismos de transferencia de energía,mienymiafuera
El balance de energía se puede expresar enpor unidad de masabase como
 
in out system KJ/kg
e e e
   (2–38)
que se obtiene dividiendo todas las cantidades de la ec. 2–35 por la masametrodel
sistema. El balance de energía también se puede expresar en forma diferencial
como
in out system in out system
or
E E dE e e de
   
    (2–39)

Mecanismos de transferencia
de energía:
• Transferencia de calor
• transferencia de trabajo
• Flujo de masa
Una masa cerrada implica solo transferencia de calor y trabajo.
     
        
in out in out in out mass,in mass,out system
E E Q Q W W E E E
 
 
net,out net,in net,out net,in
or for a cycle
W Q W Q

Figura 2-47
El contenido de energía de un volumen de
control se puede cambiar tanto por el flujo
másico como por las interacciones de calor
y trabajo.
mostrar.
Figura 2-48
Para un ciclo Δmi= 0, por lo tantoq=w
mostrar.

2–7 Eficiencias de conversión de energía1
Eficiencia es uno de los términos más utilizados en
termodinámica e indica qué tan bien se logra un
proceso de conversión o transferencia de energía.
Desired output
Efficiency=
Require dinput
Eficiencia de un calentador de agua:La relación entre la
energía suministrada a la casa por el agua caliente y la energía
suministrada al calentador de agua.
Figura 2-53
Eficiencias típicas de calentadores de agua eléctricos y de gas
natural convencionales y de alta eficiencia.
Escribe Eficiencia
Gas, convencional 55%
Gas, alta eficiencia 62%
Eléctrico, convencional 90%
Eléctrico, de alta
eficiencia
94%
mostrar.
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Poder calorífico del combustible:La cantidad de calor liberado cuando una
cantidad unitaria de combustible a temperatura ambiente se quema
completamente y los productos de la combustión se enfrían a temperatura
ambiente.
Valor calorífico inferior (LHV):Cuando el agua en los gases de
combustiónesun vapor
Poder calorífico superior (HHV):Cuando el agua de los gases de combustión
se condensa por completo y así también se recupera el calor de vaporización.
Eficiencia del equipo de combustión
useful
comb.equip.
Q Useful heat delivered by the combustion equipment
=
HV Heating value of the fuel burned
 

Figura 2-54
La definición del poder calorífico de la gasolina.
mostrar.

La eficiencia de los sistemas de calefacción de espacios de edificios
residenciales y comerciales generalmente se expresa en términos deeficiencia
anual de utilización de combustible (AFtuMI), que explica la
combustiónequipoeficiencia, así como otras pérdidas tales como pérdidas de
calor a áreas sin calefacción y pérdidas de arranque y enfriamiento.
losAFtuLa E de la mayoría de los sistemas de calefacción nuevos es de
alrededor del 85 por ciento, aunque la AFtuE de algunos sistemas de
calefacción antiguos está por debajo del 60 por ciento.
La AFtuE de algún nuevo alto-eficiencia hornos supera el 96 por ciento, pero
el alto costo de tales hornos no puede estar justificado para lugares con
inviernos leves a moderados.
Eficiencias tan altasse logran recuperando la mayor parte del calor de los
gases de combustión, condensando el vapor de agua, y la descarga de los
gases de combustión a temperaturas tan bajas como 38C (o 100F) en lugar
de unos 200C (o 400F) para los modelos convencionales.

Eficiencia global de una central eléctrica
net, electric
overall comb.equip. thermal generator
fuel
=
HHV×
W
m
   

Generador: Un dispositivo que convierte la energía mecánica en energía
eléctrica.
Eficiencia del generador: La relación entre la potencia eléctrica de salida y la
potencia mecánica de entrada.
Eficiencia térmica de una planta de energía: La proporción de lasalida neta
de trabajo del eje de la turbina a la entrada de calor al fluido de trabajo.
Las eficiencias generales son del 25 al 30 por ciento para los motores
de automóviles de gasolina, del 35 al 40 por ciento para los motores
diésel y de hasta el 60 por ciento para las grandes centrales eléctricas.

Tabla 2–1La eficacia de los diferentes sistemas de
iluminación.
tipo de iluminación Eficacia, lúmenes/W
Combustión
Vela 0.3
Lámpara de kerosene 1-2
Incandescente
Común 6-20
halógeno 15-35
Fluorescente
Compacto 40-87
Tubo 60-120
Descarga de alta intensidad
vapor de mercurio 40-60
halogenuros metálicos 65-118
Sodio de alta presión 85-140
Sodio a baja presión 70-200
De Estado sólido
DIRIGIÓ 20-160
OLED 15-60
Límite teórico 300*
mostrar.
Eficacia de la iluminación:La
cantidad de salida de luz en lúmenes
por W de electricidad consumida.
*Este valor depende de la distribución espectral de la
fuente de luz ideal supuesta. Para fuentes de luz blanca, el
límite superior es de aproximadamente 300 lm/W para
halogenuros metálicos, 350 lm/W para fluorescentes y 400
lm/W para LED. El máximo espectral ocurre a una
longitud de onda de 555 nm (verde) con una salida de luz
de 683 lm/W.

Figura 2-55
Una lámpara fluorescente compacta de 15 W proporciona tanta luz como una lámpara
incandescente de 60 W.
mostrar.

Uso de electrodomésticos de bajo
consumoconserva energía.
Ayuda a laambienteal reducir la
cantidad de contaminantes emitidos a la
atmósfera durante la combustión del
combustible.
La combustión del combustible produce
• dióxido de carbono, provoca el
calentamiento global
• oxido de nitrógenoyhidrocarburos,
causar smog
• monóxido de carbono, tóxico
• dióxido de azufre, provoca lluvia
ácida.
Figura 2-56
La eficiencia de un aparato de cocina
representa la fracción de la energía
suministrada al aparato que se
transfiere a los alimentos.
Energy utilized
Efficiency =
Energy supplied to appliance
3 kWh
= 0.60
5 kWh

mostrar.

Tabla 2–2Gastos energéticos de cocinar una cazuela con diferentes aparatos*
Aparato de cocina Temperatura de
cocción
Hora de
cocinar
Energía
utilizada
costo de la
energia
Horno eléctrico 350°F (177°C) 1 hora 2,0 kWh $0.19
Horno de convección
(elect.)
325°F (163°C) 45 minutos 1,39 kWh $0.13
Horno de gas 350°F (177°C) 1 hora 0,112 termia $0.13
Sartén 420°F (216°C) 1 hora 0,9 kWh $0.09
Horno tostador 425°F (218°C) 50 minutos 0,95 kWh $0.09
Olla de barro 200°F (93°C) 7 horas 0,7 kWh $0.07
Horno microondas "Alto" 15 minutos 0,36 kWh $0.03
*Asume un costo unitario de $0.095/kWh para electricidad y $1.20/termiapara gasolina
[De JT Amann, A. Wilson y K. Ackerly, Consumer Guide to Home Energy Savings, 9eled., Consejo
Estadounidense para una Economía Eficiente en Energía, Washington, DC, 2007, p. 163.]
mostrar.

Eficiencias de los dispositivos mecánicos y eléctricos
Eficiencia mecánica
mech,out mech,loss
metch
mech,in mech,in
Mechanical energy output
1
Mechanical energy input
E E
E E
    
La efectividad del proceso de conversión entre el trabajo mecánico
suministrado o extraído y la energía mecánica del fluido se expresa por
laeficiencia de la bomba yeficiencia de la turbina,
pump,
mech,fluid
pump
shaft,in pump
Mechanical energy increase of the fluid
Mechanical energy input
u
W
E
W W


  
shaft,out turbine
turbine
mech,fluid turbine,
Mechanical energy output
Mechanical energy decrease of the fluid e
W W
E W
   


Figura 2-58
La eficiencia mecánica de un ventilador es la relación entre la tasa de aumento de la
energía mecánica del aire y la entrada de potencia mecánica.
 
1 2
1 2
1 atm 2 atm
2
, 2
,
, ,
2
0, =12.1m/s
z = z
and
/ 2
(0.506 kg/s) 12.1 m/s / 2
50.0 W
0.741
mech fluid
mech fan
shaft in shaft in
V V
p p p p
E mV
W W


 

 


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shaft,out
motor
elect,in
Mechanical power output
:
Electric power input
W
Motor
W
  
elect,out
generator
shaft,in
Electric power output
:
Mechanical power input
W
Generator
W
  
pump,u mech,fluid
pump motor pump motor
elect,in elect,in
W E
W W
  


   Eficiencia global
bomba-motor
elect,out elect,out
turbine generator
turbine,e mech,fluid
turbine gen
W W
W E
  
   

Eficiencia
global turbina-
generador

Figura 2-59
La eficiencia global de una turbina-generador es el producto de la eficiencia de la
turbina y la eficiencia del generador, y representa la fracción de la potencia mecánica
del fluido convertida en potencia eléctrica.

2–8Energía y Medio Ambiente1
La conversión de energía de una forma a otra a menudo afecta el
medio ambiente y el aire que respiramos de muchas maneras y,
por lo tanto, el estudio de la energía no está completo sin
considerar su impacto en el medio ambiente.
Los contaminantes emitidos durante la combustión de
combustibles fósiles son responsables de niebla tóxica,lluvia
ácida, ycalentamiento global.
La contaminación ambiental ha alcanzado niveles tan altos que se
ha convertido en una seria amenaza paravegetación,fauna
silvestre, ysalud humana.

Figura 2-62
Los procesos de conversión de energía a
menudo van acompañados de
contaminación ambiental.
Figura 2-63
Los vehículos motorizados
son la mayor fuente de
contaminación del aire.
© Imagen Comstock/AlamyRF

Ozono y smog
Niebla tóxica:Compuesto mayoritariamente porozono a nivel del suelo(O3), pero
también contiene muchos otros productos químicos, incluidosmonóxido de carbono(C
O),materia particularcomo el hollín y el polvo,compuestos orgánicos volátiles(VOCs)
como benceno, butano y otros hidrocarburos.
hidrocarburosyoxido de nitrógenoreaccionan en presencia de la luz solar en días
cálidos y tranquilos para formar ozono troposférico.
Ozono irrita los ojos y daña los alvéolos de los pulmones, donde se intercambian el
oxígeno y el dióxido de carbono, lo que eventualmente provoca el endurecimiento de
este tejido blando y esponjoso.
También causa dificultad para respirar, sibilancias, fatiga, dolores de cabeza y náuseas,
y agrava los problemas respiratorios como el asma.
El otro contaminante grave del smog esmonóxido de carbono,que es un gas incoloro,
inodoro y venenoso. Lo emiten principalmente los vehículos de motor.
Priva a los órganos del cuerpo de obtener suficiente oxígeno al unirse a los glóbulos
rojos que, de otro modo, transportarían oxígeno. Es fatal en niveles altos.
Suspendidomateria particularcomopolvoyHollínson emitidos por vehículos e
instalaciones industriales. Tales partículas irritan los ojos y los pulmones.

Figura 2-64
El ozono a nivel del suelo, que es el componente principal del smog, se forma
cuando HC y NOX reaccionar en presencia de la luz solar en días cálidos y
tranquilos.

Lluvia ácida
El azufre del combustible reacciona con el oxígeno para formardióxido de
azufre(SO2), que es un contaminante del aire.
La principal fuente de SO2son las centrales eléctricas que queman carbón con
alto contenido de azufre.
Los vehículos de motor también contribuyen a SO2emisiones ya que la
gasolina y el diesel también contienen pequeñas cantidades de azufre.
losóxidos de azufreyóxidos nítricosreaccionan con el vapor de agua y otras
sustancias químicas en la atmósfera en presencia de la luz solar para formar
ácidos sulfúrico y nítrico.
Los ácidos formados generalmente se disuelven en las gotas de agua
suspendidas en las nubes o la niebla.
Estas gotitas cargadas de ácido, que pueden ser tan ácidas como el jugo de
limón, son arrastradas del aire al suelo por la lluvia o la nieve. Esto se conoce
comolluvia ácida.

Figura 2-65
El ácido sulfúrico y el ácido nítrico se forman cuando los óxidos de azufre y los
óxidos nítricos reaccionan con el vapor de agua y otras sustancias químicas en la
atmósfera en presencia de la luz solar.

El Efecto Invernadero: Calentamiento Globaly Cambio Climático
Efecto invernadero:El vidrio permite
que la radiación solar entre libremente
pero bloquea la radiación infrarroja
emitida por las superficies interiores.
Esto provoca un aumento en la
temperatura interior como resultado de
la acumulación de energía térmica en
un espacio (es decir, un automóvil).
La superficie de la tierra, que se
calienta durante el día como resultado
de la absorción de la energía solar, se
enfría por la noche al irradiar parte de
su energía al espacio profundo en
forma de radiación infrarroja.
Figura 2-66
El efecto invernadero en la
tierra.
mostrar.

Dióxido de carbono (CO2), vapor de agua, y trazas de algunos
otros gases comometanoyoxido de nitrógenoactúa como una
manta y mantiene la tierra caliente durante la noche al bloquear el
calor que irradia la tierra. El resultado escalentamiento global.
Estos gases se denominan “gases de invernadero, con C
O2siendo el componente principal.
CO2se produce por la quema de combustibles fósiles
comocarbón,aceite, ygas natural.

Un informe de 1995:La tierra ya se ha calentado 0,5°Cdurante el
siglo pasado, y estiman que la temperatura de la tierra subirá
otro2ºCpara el año 2100.
Un aumento de esta magnitud puede causarcambios severos en
los patrones climáticoscon tormentas y fuertes lluvias e
inundaciones en algunas partes y sequías en otras, grandes
inundaciones debido al derretimiento de los hielos en los polos,
pérdida de humedales y áreas costeras debido al aumento del
nivel del mar, y otros resultados negativos.
¿Cómo minimizar el calentamiento
global?
• Mejora de la eficiencia energética.
• conservación de energía.
• utilizando fuentes de energía
renovables.

FIGURA 2-67
El automóvil promedio produce varias veces
su peso en CO2cada año (se conduce 13,500
millas al año, consume 600 galones de
gasolina y produce 20 lbm de CO2por
galon).
Figura 2-68
Las energías renovables como la eólica
se denominan “energía verde” ya que
no emiten contaminantes ni gases de
efecto invernadero.
©viajero de la milla/Foto de stock/gaettyImágenes RF ©Estudios Bear Dancer/Mark Dierker RF

Resumen
• Formas de energia
• Transferencia de energía por calor
• Transferencia de energía por trabajo
• Formas mecánicas de trabajo.
• La primera ley de la termodinámica.
• Eficiencias de conversión de energía
• Energía y medio ambiente

Final deCapítulo2

Energía, transferencia de energía y análisis general de energía

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