Aplicaciones de los termofluidos

Aplicaciones de los termofluidos, todos los seres humanos son expertos en el estudio de los termofluidos, ya que se mantienen con vida al respirar aire, beber agua y consumir alimentos para producir la energía que sirve para mover sus cuerpos. En forma más reciente el estudio de los termofluidos, nos ha proporcionado conocimiento de cómo funciona el cuerpo humano. La comida que proporciona los nutrientes es la energía que consume el cuerpo. Después de esto vamos a ver la aplicación de los termofluidos en la ingeniería. En la casa recibimos el agua y los combustibles para cocinar los alimentos. El agua potable nos llega a través de tuberías desde los ríos o presas colocadas a cierta distancia. Por otra parte, los combustibles nos llegan embotellados o por tuberías, para usarlos en las estufas o en hornos y que nos proporcionan energía calorífica para cocinar los alimentos. La representación más fácil es el calentador casero de agua para bañarse o también llamado boiler, este costa de dos sistemas abiertos, por un lado recibe gas butano y aire que al quemarse por medio del piloto, se convierten en gases de combustión. Por la tubería de entrada llega agua fría que se deposita en el fondo del recipiente, en donde recibe energía calorífica cedida por los gases de combustión y por lo tanto se calienta, saliendo a continuación por la tubería de salida. Por otra parte, los gases después de dejar su energía salen al exterior por la chimenea. Otra aplicación muy conocida es en un refrigerador doméstico, el cual se considera un ciclo.

Para medir los fenómenos naturales el hombre siempre ha necesitado de la definición de patrones de comparación los que constituyen los sistemas de unidades. Por lo que antes de iniciar nuestro estudio de los termofluidos, tenemos que definir en qué sistemas de unidades vamos a trabajar.

Dimensión es el nombre que se le da a una cualidad o característica física. Estas se dividen en fundamentales o básicas y secundarias o derivadas. A la magnitud arbitraria de una dimensión empleada como estándar para propósitos de medición o cálculo se le conoce como unidad. Las dimensiones fundamentales pueden ser longitud, masa, tiempo. Por otra parte las dimensiones secundarias o derivadas, se obtienen a partir de la derivación de las ecuaciones fundamentales, por ejemplo; el área, L2, el volumen, L3. Usualmente se pueden obtener a partir de leyes o principios universales. La medida es un número expresado en un sistema de unidades. Nosotros en termo vamos a utilizar;

masa = kg; longitud = m; Tiempo = s; temperatura = K o a veces ºC

investigar como se realizó el sistema internacional de unidades S.I. y el sistema ingles, además, de que unidades se compone el S.I. Preferentemente las unidades, múltiplos y submúltiplos de

masa, longitud, tiempo, área, volumen, velocidad, aceleración, valor de la constante de la gravedad en la tierra, fuerza, presión, trabajo, energía, potencia, temperatura absoluta y relativa.

La energía, E, es inherente a toda la materia, es algo que aparece en muchas formas diferentes, que se relacionan entre sí por el hecho, de que se puede realizar la conversión de una clase a otra. Aunque no es posible dar una definición simple del término general de energía, las diversas formas en que se manifiestan se pueden definir con precisión. Por ejemplo; el trabajo, el calor, las energías potencial, cinética, interna, nuclear, eléctrica, etc.

A la cantidad absoluta de materia contenida en un espacio o cuerpo se le conoce como masa, m, la cual es una cantidad invariable cuando la velocidad de esta es pequeña en comparación con la velocidad de la luz. Es una propiedad del sólido o del fluido, que se mide por su inercia ó resistencia a un cambio de movimiento. Es también una medida de la cantidad de fluido. Por lo que; todo lo que nos rodea tiene masa, ya sea que no se vea como el aire, o se vea y se toque como las nubes, el hielo, las piedras, los refrescos y las plantas. Con una balanza se puede medir muy fácilmente la masa de un cuerpo, medición que con gran desatino se le llama pesar.

Un cuerpo colocado en la superficie de la tierra, experimentara una fuerza constante de atracción generada por la acción de la gravedad, esta fuerza recibe el nombre de peso. El valor estándar de la gravedad a nivel del mar es de 9.81 m/s2. Entonces,

W = mg [=] N

Aquí tenemos que hacer una aclaración, la masa es la misma en cualquier lugar en donde se mida, pero el  

peso no. Por ejemplo; una manzana tiene una masa de 0.100 kg, en la tierra pesaría 0.981 N, mientras que en la luna pesaría 0.140 N, ya que la gravedad en la luna es de 1.40 m/s2.

por este hecho es que los astronautas son capaces de brincar tan alto.

Por otra parte, si en lugar de un cuerpo sólido, se maneja un fluido, el peso es la cantidad que pesa un fluido, es decir,

La fuerza con la que la masa de un fluido es atraído hacia la tierra por la acción de la gravedad y se le define como,

Wf = mg [=] N el cual puede medirse con un dinamómetro de resorte

Investigar la ley de la gravitación universal y la segunda ley de newton, como se puede medir masa, peso y fuerza, que es un dinamómetro, ecuación que relaciona la masa con la energía o teoría de la relatividad

ejemplo: calcule la masa de un tanque de gasolina si este pesa 1.35 kN

Wf = mg

despejando m = = = 137.61 kg

ejemplo: calcule el peso de un tanque que tiene una masa de 80 lbm.

aquí se debe de utilizar la constante gc = 32.2 lbm pie/lbf s2, por eso se dejo de utilizar el sistema ingles

Wf = = = 80 lbf

Investigar que es el modelado de sistemas y de procesos

Nosotros utilizaremos como base del modelaje, el concepto de sistema que se verá más adelante y la ecuación de balance

Entradas - Salidas + Producción - Consumo = Acumulación

Estas bases fundamentales se aplicarán al balance de materia y energía, o sea al análisis de la masa y energía que entra , sale, se produce, se consume o se acumula dentro de un sistema.

Se supone que ustedes ya tienen conocimiento de lo que es sistema, propiedades, equilibrio, etc., sin embargo, para que se puedan establecer las teorías físicas que vamos a utilizar, necesitamos definir estos conceptos con la mayor exactitud posible.

Un sistema termodinámico, fluídico o simplemente un sistema es aquella porción del universo físico que nosotros consideramos para su estudio, el cual tiene ciertas características de volumen, temperatura, presión o algunas otras. Un átomo, una galaxia, una sustancia, una determinada materia o un cierto volumen en el espacio, una botella de refresco de cola e incluso el ser humano son ejemplos de sistemas.

Este es una región tridimensional a la cual se desea estudiar, que se aísla o se separa del resto del universo por medio de una superficie arbitraria que se conoce como frontera o límites del sistema. La frontera o límites del sistema, es el límite real o imaginario entre el sistema y los alrededores, en la mayoría de las veces, son las paredes del recipiente contenedor. Mientras que los alrededores del sistema, es la masa o toda región física ajena al sistema, que es seleccionada arbitrariamente. En una forma más general se dice que los alrededores es aquella región del universo que interactúa con el sistema y cuya influencia sobre él puede medirse, dicha interacción viene dada por el intercambio de las diferentes energías entre el sistema y los alrededores.

Investigar todos los tipos de sistemas, fronteras, alrededores y los tipos de paredes.

Los sistemas termodinámicos o fluídicos, en forma clásico se dividen en sistemas cerrados y sistemas abiertos. En el análisis de procesos termofluídicos se estudia tanto la transferencia de masa como de energía a través de las fronteras del sistema.  

El sistema cerrado, sc, es aquel sistema en el que no existe entrada ni salida de materia o lo que es lo mismo no hay transferencia de masa a través de las fronteras, pero sí de energía, también se le conoce como masa de control. En este la cantidad de materia permanece fija, pero puede ser posible que cambie su composición química y su estado físico. En las figuras se observa que la frontera está bien delimitada físicamente, ya que la envolvente se ubica en la superficie interior de las mismas. Estas fronteras pueden ser fijas, como sucede con una olla de presión, por lo que el volumen es constante. Pero también pueden ser móviles y por lo tanto el volumen del recipiente no es fijo. En la figura se tiene un conjunto de pistón y cilindro, en el cual se observa que si se mueve el pistón, las fronteras cambiaran y por lo tanto también cambiará el volumen del sistema.

Por otra parte, el sistema abierto, sa, o también conocido como volumen de control, vc, es aquel en el que existe flujo de masa y de energía a través de las fronteras. El flujo a través de estos sistemas se estudia mejor al seleccionar la región dentro del sistema, conocido como volumen de control, el cual está rodeado por la superficie de control, cs, que es toda la línea punteada. En la figura se muestra el flujo de un fluido a través de un sistema abierto, el cual puede ser una máquina o una tubería. En esta se observa una línea punteada roja, la cual es una representación de una frontera imaginaria por la que entra y sale fluido, es decir no existe una superficie real que marque la posición de las fronteras

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