ANÁLISIS DE MASA Y ENERGÍA
DE VOLÚMENES DE CONTROL
Conservación de la masa
Para sistemas cerrados, el principio de conservación de la masa se usa de modo implícito al requerir que la masa del sistema permanezca constante durante un proceso.
Flujo másico: La cantidad de masa que pasa por una sección transversal por unidad de
tiempo
Flujo volumétrico: El volumen del fluido que pasa por una sección transversal por unidad de
tiempo
Principio de conservación de la masa
la transferencia neta de masa hacia o desde el volumen de control durante un intervalo de tiempo t es igual al cambio neto (incremento o disminución) en la masa total dentro del volumen de control durante t.
Balance de masa para procesos
de flujo estacionario
Durante un proceso de flujo estacionario, la cantidad total de masa contenida
dentro de un volumen de control no cambia con el tiempo
la tasa total de masa que entra a un volumen de control
es igual a la tasa total de masa que sale del mismo.
Caso especial: flujo incompresible
Las relaciones de conservación de la masa pueden simplificarse aún más cuando
el fluido es incompresible, lo cual es el caso en los líquidos
Trabajo de flujo y energía de un fluido en movimiento
trabajo de flujo
o energía de flujo
Flujo de masa a través de sus fronteras, y se requiere trabajo para introducirla o sacarla del volumen de control
Energía total de un fluido en movimiento
la energía total de un sistema compresible
simple consiste en tres partes: energías interna, cinética y potencial
e=u+ec+ep=u+V^2/2+gz
fluido que entra o sale de un volumen de control posee una forma adicional
de energía, la energía de flujo Pv
Teta=h+ec+ep=h+V^2/2+gz
Energía transportada por la masa
la energía total de un fluido en movimiento de masa m es simplemente mu, siempre y cuando las propiedades de la masa m sean uniformes. También, cuando una corriente de fluido con propiedades uniformes se mueve a un flujo másico de m , la tasa de flujo de energía con esa corriente es m
Análisis de energía de sistemas de flujo estacionario
dispositivos de ingeniería como turbinas, compresores y toberas funcionan durante largos periodos bajo las mismas condiciones una vez completado el periodo de inicio transitorio y establecida la operación estacionaria; y se clasifican como dispositivos de flujo estacionario.
Proceso de flujo
proceso durante el cual
un fluido fluye de manera estacionaria por un volumen de control
Dispositivos ingenieriles de flujo estacionario
Toberas y difusores
Turbinas y compresores
Un difusor es un dispositivo que incrementa la presión
de un fluido al desacelerarlo
Una tobera es un dispositivo que incrementa la velocidad de un fluido
a expensas de la presión.
las toberas y los difusores normalmente están relacionados con velocidades muy altas, entonces cuando un fluido pasa por alguno de estos dispositivos experimenta grandes cambios en su velocidad
En las centrales eléctricas de vapor, gas o en hidroeléctricas, el dispositivo
que impulsa al generador eléctrico es la turbina
A medida que el fluido pasa por ésta se hace trabajo contra los álabes, los cuales están unidos a la flecha, la cual a su vez gira y la turbina produce trabajo
Los compresores son dispositivos
que se utilizan para incrementar la presión de un fluido
El compresor es capaz de comprimir el
gas a presiones muy altas
Válvulas de estrangulamiento
dispositivos de diferentes tipos que restringen
el flujo de un fluido provocando una caída relevante de presión, se usan para refrigeración y acondicionamiento de aire
Son dispositivos pequeños, y suficiente tiempo ni área suficientemente grande para que ocurra alguna transferencia se puede suponer que el flujo por ellos es adiabático (q 0) puesto que no hay de calor efectiva
Cámaras de mezclado
Una tubería ordinaria en forma de “T” o en “Y” de una regadera, por ejemplo, sirve como cámara de mezclado para las corrientes de agua fría y caliente.
El principio de conservación de la masa para una cámara de mezclado requiere que la suma de los flujos másicos entrantes sea igual al flujo másico de la mezcla saliente.
Intercambiadores de calor
son dispositivos donde
dos corrientes de fluido en movimiento intercambian calor sin mezclado
Análisis de procesos de flujo no estacionario
flujo no estacionario o flujo transitorio
procesos en los que se tiene interés tienen que ver
con cambios dentro del volumen de control con tiempo
importante estar al tanto del contenido de masa y energía del volumen de control, así como de las interacciones de energía a través de la frontera.
comienzan y terminan en algún tiempo finito en lugar de continuar
indefinidamente
procesos
de flujo uniforme
el flujo de fluido en cualquier entrada o salida es uniforme y estacionario; por lo tanto, las propiedades del fluido no cambian con el tiempo o con la posición en la sección transversal de una entrada o salida. Si cambian, se promedian y se tratan como constantes para todo el proceso.
