Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica

APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERALEY DE LA TERMODINÁMICA

Termodinámica: Clase 05

Pantoja Guerrero-R.A.

Abril 23 de 2013

APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICABalance de materia de sistemas termodinámicos

Balance de materia

El balance de materia es...

(ENTRA + PRODUCERXN)− (SALE + CONS.RXN) = VARIA.

Es la “contabilidad” de la materia que ingresa, sale, se genera o seconsume en un sistema y que es igual la variación de la mismadentro del sistema.


Formulación matemática

[(∑m)

Entra+(∑

m)

Produce

]−[(∑

m)

Sale+(∑

m)

Consume

]=

[dmdt

]Variaci on


Consideraciones de la ecuación de balance de materia

Para un sistema en el que no hay reacción química tanto∑mProduce como

∑mConsume son 0 por lo que:[(∑

m)

Entra

]−[(∑

m)

Sale

]=

[dmdt

]Variaci on

Y si además el dispositivo funciona en estado estable, no haycambios en la cantidad de materia dentro del sistema, por lo que[dm

dt

]Variaci on = 0:[(∑

m)

Entra

]−[(∑

m)

Sale

]= O

La ecuación más simple ocurre cuando a todo lo anterior se le sumaque el sistema tiene una entrada y una salida de materia entonces:

mEntra − mSale = 0


La ecuación de la continuidad

El flujo másico y el flujovolumétrico están relacionadosmediante la siguiente ecuación:ρ = m/V m = ρV 4m

4t = ρ4V4t

m = ρVV = 4V

4t = A4x4t = A

−→V

m = ρA−→V

Para una única entraday salida, en estado establem1 = m2:

ρ1A1−→V1 = ρ2A2

−→V2

Que es una de las formas de ecuación de la continuidad más usadas.


Y ahora...

Tomemos este tema...del cuello con ejercicios prácticos...

APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICABalance de energíaFormulación general de la primera ley de la termodinámica

Formulación del balance de energía

El balance de energía es...

ENTRA− SALE ± TRANSFORMA = VARIACI ON


Balance de energía

En un balance de energíaSi no hay acumulación de energía ni el sistema mismo transformaalguna de las formas existentes de energía:

∑EEntra =

∑ESale al

igual que en balance de materia. Sin embargo, para plantear laecuación del balance de energía en Termodinámica tenemos querelacionar lo siguiente:

Como ingresa la energía a un sistema (Funciones de estado)

Energía interna y si fluye como entalpíaEn forma de energía cinética y energia potencial

Como transforma energía un sistema (Funciones de trayectoria)

En forma de trabajo o calorEn las reacciones químicas


Entonces teniendo en cuenta las formas de energía que son función

de estado: E = U + PV + m−→V 2

2 + mgzY las que son función de trayectoria son: W + QY la que se acumula: dE

dt

∑U + PV +m−→V 2

2+ mgz

Entra

−∑U + PV +

m−→V 2

2+ mgz

Sale

+ W + Q + WPerdido = 0

Para un sistema cerrado esta ecuación queda4U = W + Q


Formas de la ecuación de energia

En términos de potencia, energía por unidad de tiempo:

∑[m

(u + Pv +

−→V 2

2+ gz

)]Sale

−∑[

m

(u + Pv +

−→V 2

2+ gz

)]Entra

= W +Q

O, aún más simple...

∑[m

(h +

−→V 2

2+ gz

)]Sale

−∑[

m

(h +

−→V 2

2+ gz

)]Entra

= W + Q

¡Y esta ecuación sí que tiene aplicaciones!


¿Que es un volumen de control?

Es un sistema de fronteras convenientes para realizar análisis deprimera ley de termodinámica. Las fronteras pueden ser superficiesreales o hipotéticas y su volumen puede ser variable. Todo dependede la conveniencia de quien lo analice.


Aplicación de la primera ley de la termodinámica

Si sobre un volumen de control, con una entrada y salida, quefuncion en estado estable, se aplica la primera ley de latermodinámica se llega a que:

∑[m

(h +

−→V 2

2+ gz

)]Sale

−∑[

m

(h +

−→V 2

2+ gz

)]Entra

= W + Q

m

[(h +

−→V 2

2+ gz

)Sale

−

(h +

−→V 2

2+ gz

)Entra

]= W + Q

Y de maneras más simples:

m (4h +4ek +4eP) = W + Q

(4h +4ek +4eP) = w + q

APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICAAplicación en dispositivosToberas y difusores

Toberas y difusores

Tobera o difusorSe usa para modificar la energía cinética de un fluido a expensas deun cambio en el área transversal de flujo

(4h +4ek) = 0

APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICAAplicación en dispositivosTurbinas, compresores, bombas y ventiladores

Turbinas

TurbinasAprovechan la energía de un fluído en movimiento para producir trabajo de torque queluego se puede tranformar en otra clase de trabajo útil como la electricidad

m (4h +4ek) = W + Q


Compresores

CompresoresLa energía contenida en el torque de un eje que se mueve (Trabajo de torque) seaprovecha para incrementar la presión de un fluido. Los compresores domésticosconsumen energía eléctrica.

W + Q = m (4h +4ek)


Bombas, sopladores y ventiladores

Bombas, sopladores y ventiladoresTambién elevan la presión de un fluído con el propósito deimpulsarlo y moverlo desde un punto hacia otro.

W + Q = m (4h +4ek)

APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICAAplicación en dispositivosVálvulas, tubos capilares, tapones porosos, estrangulamiento.

Válvulas, tubos capilares, estrangulamiento, taponesporosos

EstrangulamientoModifican las condiciones termodinámicas de un fluído, como la entalpía. A través deestos equipos hay una caída drástica de la presión.

4h = 0

APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICAAplicación en dispositivosMezcla de fluídos

Mezcla de fluídos

APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICAAplicación en dispositivosIntercambiadores de calor

Intercambiadores de calor

APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICAAplicación en dispositivosEcuación de Bernoulli para sistemas de tuberías

Sistemas de tuberías (Bernoulli equation)

APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICAINTRODUCCIÓN A LOS CICLOS TERMODINÁMICOSCiclo simple de potencia de vapor

Ciclo simple de potencia de vapor

APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICAINTRODUCCIÓN A LOS CICLOS TERMODINÁMICOSCiclo simple de refrigeración por compresión de vapor

Ciclo simple de refrigeración por compresión de vapor


Refrigeradores y refrigerantes


¿Fin?

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