clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica
TRANSCRIPT
![Page 1: Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a0693d1a28ab5e388b46a3/html5/thumbnails/1.jpg)
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
![Page 2: Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a0693d1a28ab5e388b46a3/html5/thumbnails/2.jpg)
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.
![Page 3: Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a0693d1a28ab5e388b46a3/html5/thumbnails/3.jpg)
APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICABalance de materia de sistemas termodinámicos
Formulación matemática
[(∑m)
Entra+(∑
m)
Produce
]−[(∑
m)
Sale+(∑
m)
Consume
]=
[dmdt
]Variaci on
![Page 4: Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a0693d1a28ab5e388b46a3/html5/thumbnails/4.jpg)
APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICABalance de materia de sistemas termodinámicos
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
![Page 5: Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a0693d1a28ab5e388b46a3/html5/thumbnails/5.jpg)
APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICABalance de materia de sistemas termodinámicos
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.
![Page 6: Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a0693d1a28ab5e388b46a3/html5/thumbnails/6.jpg)
APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICABalance de materia de sistemas termodinámicos
Y ahora...
Tomemos este tema...del cuello con ejercicios prácticos...
![Page 7: Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a0693d1a28ab5e388b46a3/html5/thumbnails/7.jpg)
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
![Page 8: Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a0693d1a28ab5e388b46a3/html5/thumbnails/8.jpg)
APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICABalance de energíaFormulación general de la primera ley de la termodinámica
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
![Page 9: Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a0693d1a28ab5e388b46a3/html5/thumbnails/9.jpg)
APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICABalance de energíaFormulación general de la primera ley de la termodinámica
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
![Page 10: Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a0693d1a28ab5e388b46a3/html5/thumbnails/10.jpg)
APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICABalance de energíaFormulación general de la primera ley de la termodinámica
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!
![Page 11: Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a0693d1a28ab5e388b46a3/html5/thumbnails/11.jpg)
APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICABalance de energíaFormulación general de la primera ley de la termodinámica
¿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.
![Page 12: Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a0693d1a28ab5e388b46a3/html5/thumbnails/12.jpg)
APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICABalance de energíaFormulación general de la primera ley de la termodinámica
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
![Page 13: Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a0693d1a28ab5e388b46a3/html5/thumbnails/13.jpg)
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
![Page 14: Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a0693d1a28ab5e388b46a3/html5/thumbnails/14.jpg)
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
![Page 15: Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a0693d1a28ab5e388b46a3/html5/thumbnails/15.jpg)
APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICAAplicación en dispositivosTurbinas, compresores, bombas y ventiladores
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)
![Page 16: Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a0693d1a28ab5e388b46a3/html5/thumbnails/16.jpg)
APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICAAplicación en dispositivosTurbinas, compresores, bombas y ventiladores
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)
![Page 17: Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a0693d1a28ab5e388b46a3/html5/thumbnails/17.jpg)
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
![Page 18: Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a0693d1a28ab5e388b46a3/html5/thumbnails/18.jpg)
APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICAAplicación en dispositivosMezcla de fluídos
Mezcla de fluídos
![Page 19: Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a0693d1a28ab5e388b46a3/html5/thumbnails/19.jpg)
APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICAAplicación en dispositivosIntercambiadores de calor
Intercambiadores de calor
![Page 20: Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a0693d1a28ab5e388b46a3/html5/thumbnails/20.jpg)
APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICAAplicación en dispositivosEcuación de Bernoulli para sistemas de tuberías
Sistemas de tuberías (Bernoulli equation)
![Page 21: Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a0693d1a28ab5e388b46a3/html5/thumbnails/21.jpg)
APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICAINTRODUCCIÓN A LOS CICLOS TERMODINÁMICOSCiclo simple de potencia de vapor
Ciclo simple de potencia de vapor
![Page 22: Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a0693d1a28ab5e388b46a3/html5/thumbnails/22.jpg)
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
![Page 23: Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a0693d1a28ab5e388b46a3/html5/thumbnails/23.jpg)
APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICAINTRODUCCIÓN A LOS CICLOS TERMODINÁMICOSCiclo simple de refrigeración por compresión de vapor
Refrigeradores y refrigerantes
![Page 24: Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a0693d1a28ab5e388b46a3/html5/thumbnails/24.jpg)
APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICAINTRODUCCIÓN A LOS CICLOS TERMODINÁMICOSCiclo simple de refrigeración por compresión de vapor
Refrigeradores y refrigerantes
![Page 25: Clase 05 aplicaciones de la primera ley de la termodinámica](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a0693d1a28ab5e388b46a3/html5/thumbnails/25.jpg)
APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICAINTRODUCCIÓN A LOS CICLOS TERMODINÁMICOSCiclo simple de refrigeración por compresión de vapor
¿Fin?