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• Lesly B. Fernandez

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• Química Física

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BALANCE DE ENERGÍA EN SISTEMAS ABIERTOS

LOGRO ESPECÍFICO: • Al finalizar la sesión, el estudiante interpreta y elabora un informe de laboratorio sobre la primera ley de la termodinámica en sistemas abiertos, desarrollando ejercicios, aplicando la tabla de conversiones, con coherencia en la información, orden y precisión en las respuestas.

SISTEMA ABIERTO

• Llamado también volumen de control. • Intercambia masa y energía con su entorno. Ejm: turbinas, compresores, toberas, intercambiadores de calor, mezcladores, válvulas de estrangulamiento, etc.

CONSERVACIÓN DE LA MASA 

• Flujo Másico: m 

m



  v normal dAt

At





m   v At 

• Flujo Volumétrico: V 

V



At

 v normal dAt





V  v At





m  V

CONSERVACIÓN DE LA MASA

• Para un volumen de control (VC): m entrada  m salida   m VC 



m entrada  m salida 

dm VC dt

Para varias entradas y salidas: 



m  m 

entrada

salida

dm VC dt

CONSERVACIÓN DE LA MASA • Procesos de flujo estacionario 

m



entrada



m

salida

Para una entrada y una salida:   m1  m2





1 v1 A 1  2 v 2 A 2

Fluidos incompresibles: 

V

entrada







V

salida



V1  V2 



v 1 A1  v 2 A2

CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA • Energía total en un fluido en movimiento: e = pv + u + ec + ep

e=

h + ec + ep 

v2 e h   gz 2 • Balance de energía:    v2   Q  W   m h   gz   2   salida   





por cada salida

   v2    m  h  2  gz  entrada    

por cada entrada

BALANCE DE ENERGÍA EN SISTEMAS ABIERTOS 1. Se usa una manguera de jardín acoplada a una boquilla para llenar una cubeta de 10 galones. El diámetro interior de la manguera es de 2 cm pero se reduce a 0.8 cm en la salida de la boquilla. Si toma 50 s llenar con agua la cubeta, determine a) los flujos volumétrico y másico de agua por la manguera y b) la velocidad promedio del agua en la salida de la boquilla.

2) Se tiene nitrógeno a una temperatura de 1500° C y 7 atm y éste se expande a través de una turbina hasta una presión de 1 atm. La turbina se diseña de manera tal que los gases salen con gran velocidad. Cuando el flujo de gases es de 50 kg/h la turbina produce 3,5 kW. Las pérdidas de calor en la turbina son de 3000 kcal/h. La tubería que llega a la turbina tiene un diámetro interno de 0,622 pulgadas. La capacidad calorífica de los gases se puede considerar constante e igual a 0,24 kcal/(kg*°C). ¿Cuál es la temperatura y velocidad (en m/s) del gas saliente si la tubería de salida es igual a la de entrada?

3. En el difusor de un motor de propulsión entra en régimen estacionario aire a 10 °C y 80 kPa, con una velocidad de 200 m/s. El área de entrada al difusor es 0.4 m2. El aire sale del difusor con una velocidad que es muy pequeña comparada con la velocidad de entrada. Determine a) el flujo másico del aire y b) la temperatura del aire que sale del difusor.

4. A una tobera cuya área de entrada es 0.2 pie2 entra en forma estacionaria vapor de agua a 250 psia y 700 °F. El flujo másico de vapor por la tobera es 10 lbm/s. El vapor sale de la tobera a 200 psia con una velocidad de 900 pies/s. Las pérdidas de calor desde la tobera por unidad de masa del vapor se estiman en 1.2 Btu/lbm. Determine a) la velocidad de entrada y b) la temperatura de salida del vapor.

REFERENCIAS 1. Yunus Cengel / Michael Boles. Termodinámica. Sétima Edición. México. McGRAW-HILL / INTERAMERICANA EDITORES, 2011. 2. https://www.youtube.com/watch?v=ibSwOPS0w1g