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Se dice que la energía es la capacidad potencial que tiene un sistema o una sustancia para realizar un trabajo. Pero pienso particularmente que la energía es toda manifestacion interna o externa de un sistema, debida a la interaccion con su entorno y relativa a el.
Los tipos de energia fueron asociadas inicialmente con las propiedades fisicas o termodinamicas como la energía cinetica con la velocidad (inclusive al inicio del texto al tratar las propiedades se indicaron algunas formas de energía), pero posteriormente se encontraron otras formas de energía asociadas con la variacion de algunas propiedades (trabajo y calor). Las primeras como dependen da las propiedades de estado de un sistema o una sustancia se agrupan como energías acumulables en las sustancias o en los sistemas, y la suma de todas ellas que son energía potencial, interna, cinética y de flujo, se llamara la energía total del sistema (E) para un estado determinado. Las ultimas formas de energía que solo se presentan con la variación de las propiedades de estado se agrupan como energias transitorias, que atraviesan los sistemas y viajan de uno a otro, estos son el trabajo y el calor.
Se debe tener en cuenta que, las diferentes formas de energía que presentaremos se cuantifican como propiedades totales, pero en algunos casos es conveniente utilizarlas como propiedades específicas, expresandolas por unidad de masa. A continuacion describimos cada una de ellas.
1.7.1. Energía Potencial Gravitacional (Ep). Es la energía necesaria para vencer el efecto de atracción del campo gravitacional de la tierra, y mantener cualquier cuerpo o sistema a una distancia (z) de ésta, tambien se puede considerar por unidad de masa (ep). Se considera que la altura z del sistema, con respecto a un punto de referencia, representa una cantidad de energía potencial disponible para su conversión en trabajo. Igualando el cambio de energía potencial al trabajo de la gravedad, se tiene:
dEp = Fg.dz = m.g.dz
donde dz es el desplazamiento del centro de gravedad en la dirección de la fuerza gravitacional. Si la fuerza de gravedad Fg es virtualmente constante, la integración da:
Ep 2 - E p 1 = DE p = m.g ( z 2 - z 1)
1.7.2. Energía Cinética (Ec). Es la energía que puede alcanzar una masa o un sistema como consecuencia de su movimiento, especificamente de su velocidad. Por unidad de masa se expresa como ec. Igualando el cambio de la energía cinética al trabajo de movimiento se tiene:
dEc = F.dx = m.(dV/dt)dx = m.(dx/dt)dV = mVdV
donde dV es la variación de la velocidad del sistema. Sí el sistema es una masa m que se mueve con una velocidad V, integrando quedaría:
Ec2 - Ec1 = m (V22 - V12)/2
1.7.3. Energía interna (U). En general la
energía interna es la energía asociada con el movimiento de átomos
y moléculas que conforman la materia y con la posición relativa
de unas respecto a otras. Teniendo en cuenta el hecho de que la
materia en un sistema se encuentra en permanente movimiento, la
energía interna integra las formas microscópicas resultantes del
movimiento molecular en el sistema y las separa de la velocidad,
posición o campo gravitacional del sistema como grupo.
Se tiene que la energía interna por unidad de masa o especifica
de una sustancia (u expresada en [Kj/Kg]) por relaciones termodinamicas,
se ha planteado como una función de T y v donde su variación puede
escribirse como:
Lo cual indica que, la suma de las energías de todas las moléculas de un sistema, que aparecen en varias formas complejas, es la energía interna.
1.7.4. Trabajo (W). El trabajo, termodinámicamente
se define como un tipo de interacción entre un sistema y sus alrededores,
o como la forma de energía transferida a través de las fronteras
del sistema de tal modo que esta produzca como único efecto la elevación
de un peso. Nóte que la elevación del peso (Figura 4), es sin duda
alguna, el efecto de una fuerza que actúa a lo largo de una distancia
y en la misma direccion de ella, situación ésta que se ajusta exactamente
a la definición de trabajo mecánico.
Para cuantificar el trabajo, es conveniente asumir un punto fijo
de referencia fijo, es decir que el observador se encuentre dentro
del sistema o fuera de el. Este documento considera al observador
dentro del sistema y es positivo lo que se recibe, entonces se puede
decir, que el trabajo realizado por el sistema sobre los alrededores
es negativo y el trabajo efectuado sobre el sistema es positivo.
El Trabajo es considerado un fenómeno transitorio, es decir, no se acumula en los sistemas, sino que se identifica u observa siempre, pasando de un sistema a otro a través de sus límites, es decir esta presente unicamente cuando se presentan cambios en el estado de los sistemas. Podemos decir que su variación es inexacta, porque depende del tipo de interacción del sistema con los alrededores (depende de las trayectorias que siguen los procesos del sistema), su representación es dW.
En un sistema se pueden encontrar dos tipos de
trabajo; el que esta asociado con la acción de fuerzas normales
a las fronteras y que produce su desplazamiento (Trabajo Normal
que en este texto sera unicamente el trabajo de dilatación); y el
asociado con la acción de fuerzas cortantes sobre las fronteras,
que produce esfuerzos cortantes y momentos torsionales (Trabajo
de corte que en este texto sera unicamente el trabajo en el eje).
En forma de ecuación para sistemas que contienen sustancias puras
compresibles simples el trabajo de dilatación corresponde a:
dW = F.dx = P.A.dx = P.d.
Donde P es la presión, A es el área de la frontera que se desplaza,
y d" es la variación del volumen total.
Para un proceso de 1 a 2 se tiene:
La integracion sobre la trayectoria 1-2, depende exclusivamente del comportamiento de las variables, por que puede suceder que la presion no sea constante y se pueda expresar como una funcion del volumen.
El trabajo en el eje???
Es conveniente utilizar w para designar el trabajo especifico, o por unidad de masa.
1.7.5. Energia de flujo (Ef). Es la cantidad
de energía requerida o necesaria para impulsar una cantidad de masa,
dentro o fuera de un sistema. Esta energia generalmente entra al
sistema con la entrada de masa, y sale de el cuando la masa es evacuada.
Equivale a la cantidad de trabajo requerido para realizar un proceso
de desplazamiento de la masa que entra o sale, a la presion respectiva
de entrada o descarga constante. Es decir que cuando se va a ingresar
una sustancia al sistema seria el equivalente a la integral del
trabajo de dilatación, a presion constante, y entre el volumen cero
y el volumen que ocupa la masa que se desea ingresar al sistema
(recuerde la convención asumida) asi:
Donde m es la masa a ingresar, P es la presion del estado de entrada, y v el volumen especifico del estado de entrada. Observe cuando la sustancia sale del sistema, que la magnitud de esta energía sera la evaluada con esta ecuación pero a las condiciones del estado de salida y tendra signo contrario.
1.7.6. Entalpía (H). En su forma más simple la entalpía se define como la suma de la energia interna y la energía de flujo asi:
La entalpía es una propiedad creada, y se considera en esta sección ya que define la cantidad total de energia que contiene una sustancia que fluye (debido a todas sus propiedades termodinámicas).
Cuando se toma por unidad de masa de la sustancia, se llama Entalpía Específica (h), expresada en [kJ/kg]. Al igual que la energía interna, es una propiedad de la sustancia, lo que significa que tendra un único valor en cada estado. Los estudiosos de las relaciones termodinámicas la definen como una función de P y T; por lo tanto un cambio en la entalpía especifica es:
1.7.7. Calor (Q). El calor se define como la forma de energía transferida a través de los límites de un sistema que se encuentra a una diferencia de temperatura con respecto a su entorno. Siempre va desde el sistema que esta a alta temperatura, hasta el que se encuentra a una temperatura más baja, y se puede decir que unicamente esta presente cuando hay diferencias de temperatura entre los dos sistemas(el sistema y su entorno).
Otro aspecto importante, a tener en cuenta en la definición de calor, es que ningún sistema acumula calor, por tanto el calor es también un fenómeno transitorio, y se identifica solamente cuando cruza los límites del sistema. Observe que se podria cambiar el estado de una sustancia con solo agitarla (trabajo en el eje), sin flujo de calor a traves de los limites del sistema y sin variaciones de volumen, o lograr el mismo cambio de estado, poniendo en contacto el sistema con otro a una temperatura más alta. Esto indica que el calor y el trabajo son los únicos medios que posibilitan el cambio de la energía total de un sistema cerrado.
