Balance de masa y Energía Termodinámica

UNIDAD III: PRIMERA LEY DE TERMODINAMICA

LA ENERGIA

ENERGÍA MACROSCÓPICA: Incluye la energía cinética, potencial o gravitacional, eléctrica, magnética, ect.

ENERGÍA MICROSCÓPICA: Son las formas de energía relacionadas a los movimientos moleculares. Recordemos que cada sistema está constituido por un numero de átomos y moléculas, dichas partículas se mueven aleatoriamente, ya sea en forma de vibración, rotación o traslación, y a estos movimientos se les conoce como energía interna “U”.

ENERGÍA TOTAL “E” DE UN SISTEMA

Es la sumatoria de todas las formas de energía.  Sin embargo, la energía total E de un sistema consta de la U, EC y EP; ya que los efectos magnéticos, eléctricos y de tensión superficial son insignificanticos en algunos problemas termodinámicos.

E= U+ EC+ EP

• Energía Interna (U): Representa la energía molecular de un sistema y puede existir en las formas sensible, latente, química y nuclear (Cengel, 2007).

Cualquier sistema puede intercambiar energía con su entorno, bien sea en forma de calor o trabajo; y su energía interna cambia cuando se agrega energía al sistema o se extrae de este. Por lo tanto, la energía interna de un sistema aumenta si se agrega calor al sistema y disminuye si el sistema transfiere calor hacia el alrededor; por otra parte, la energía interna de un sistema aumenta cuando el sistema realiza un trabajo y disminuye cuando se realiza trabajo sobre un sistema.

• Energía Cinética (EC): Se refiere a la energía que posee el elemento fluido debido a su velocidad (Giles y otros, 2003). Dicho de otro modo, la energía que posee un sistema como resultado de su movimiento (Cengel, 2007).

EC:     (KJ)[pic 1]

V: Velocidad de desplazamiento del sistema.

• Energía potencial (EP): Energía que posee el elemento de fluido debida a su elevación respecto de la cota de referencia (Giles y otros, 2003).  Otra definición, es la energía que posee un sistema como resultado de su elevación en un campo gravitacional.

EP:     (KJ)[pic 2]

Z: Elevación del sistema respecto a un punto externo de referencia (distancia vertical recorrida).

g: Constante gravitacional.

ENERGÍA TOTAL “E” DE UN SISTEMA POR UNIDAD DE MASA:

  [pic 3]

• Energía potencial por unidad de masa:

  [pic 4]

• Energía cinética por unidad de masa:

 [pic 5]

• Flujo másico : Cantidad de masa que fluye por el área de una sección transversal por unidad de tiempo.[pic 6]

• Flujo volumétrico : Es el volumen de un fluido que fluye por una sección transversal por unidad de tiempo.[pic 7]

TASA DE FLUJO DE ENERGÍA

  ( kJ/s o kW)[pic 8]

El flujo de energía asociado con un fluido que fluye a una tasa de [pic 9]

Se refiere a cómo fluye o se transfiere la energía de un sistema con respecto al tiempo.

Como es sabido, las formas de transferencias de energía de un sistema cerrado son a través del calor y trabajo. Sin embargo, en un sistema abierto o volumen de control ocurre el intercambio de energía por transferencia de masa. Cuando se transfiere masa hacia un sistema o fuera de este, la energía contenida en la masa también se transfiere.

ENERGÍA MECÁNICA

Es una forma de energía que se puede convertir completamente en trabajo mecánico de forma directa, mediante un dispositivo mecánico. Las formas de energía mecánica son la cinética y potencial, excepto la energía térmica (Q) porque no se puede convertir totalmente en trabajo de forma completa ni directa.

• Trabajo de flujo: Es la energía de un fluido en movimiento que produce un trabajo. Denominado también como energía de flujo.

     Trabajo de flujo[pic 10]

• Energía mecánica de un fluido en movimiento por unidad de masa

[pic 11]

   (kJ/kg)[pic 12]

• Energía mecánica de un fluido en movimiento por unidad de tiempo

[pic 13]

   (kJ/S)[pic 14]

• Cambio de la de un fluido en movimiento por unidad de masa:[pic 15]

[pic 16]

  (kJ/kg)[pic 17]

[pic 18]

[pic 19]

[pic 20]

• Cambio de la energía mecánica de un fluido por unidad de tiempo:

 (kJ/s o Kw)[pic 21]

[pic 22]

TRANSFERENCIA DE ENERGÍA EN FORMA DE CALOR

El calor (Q) es una forma de energía que se transfiere entre dos sistemas o el sistema y su alrededor, debido a la diferencia de temperatura. La transferencia de calor (Q) hacia un sistema es positiva, porque aumenta su energía interna. La transferencia de calor desde un sistema hacia el alrededor es negativo, porque disminuye la energía interna del sistema.

• Transferencia de calor por unidad de masa:

 kJ/kg[pic 23]

• Tasa de transferencia de calor: Es la cantidad de calor transferida por unidad de tiempo. También es conocida como rapidez de transferencia de calor.

  (kJ/s) o (kW)[pic 24]

 (kJ)              Cuando Q permanece constante durante un proceso[pic 25]

• Calor latente: Es la cantidad de energía absorbida o liberada durante un proceso de cambio de cambio de fase. Dicho de otra manera, es la cantidad de energía térmica que se requiere para que haya un cambio de fase.

 [pic 26]

Donde L: Calor latente de la sustancia

Calor latente de fusión: Es la cantidad de energía absorbida para que ocurra un cambio de fase de solido a liquido (fusión). Esta cantidad de energía es equivalente a la cantidad de energía liberada durante un proceso de congelación (cambio de fase de líquido a solido).

  [pic 27]

Donde = Calor latente de fusión.[pic 28]

Ejemplo: Para que un cubo de hielo (agua solidificada) a una T de 0 °C cambie su estado a líquido, requiere absorber 333,7 kJ/kg de energía térmica. De igual modo, para que el agua se solidifique (proceso de congelación o solidificación) requiere liberar 333, 7 kJ/kg de energía térmica.

Calor latente de evaporización: Es la cantidad de energía absorbida para que ocurra un cambio de fase de líquido a vapor (evaporación). Esta cantidad de energía es equivalente a la cantidad de energía liberada durante un proceso de condensación (cambio de fase de vapor a líquido).

       También conocido como hfg[pic 29]

Donde = Calor latente de vaporización[pic 30]

Ejemplo: Para que el agua alcance su punto de ebullición (100°C) y cambie su fase de líquido a vapor se requiere absorber 2257 kJ/kg. Así mismo, para que el vapor de H2O se condense requiere liberar 2257 kJ/kg.

• Calor específico: Energía térmica requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia.

Calor específico a volumen constante (Cv): Energía térmica requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa  de una sustancia cuando el volumen se mantiene constante.

Durante un proceso isovolumétrico, cuando se eleva un grado de temperatura una unidad de masa de una sustancia, su U cambia. Por lo cual, Cv está relacionado con U. [pic 31]

Calor específico a presión constante (Cp): Energía térmica requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa cuando la presión permanece constante.

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