Termodinamica - Cengel 7th - espanhol

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CAPÍTULO 15
Una cámara de combustión generalmente involucra salida de calor pero no
entrada de calor. Entonces el balance de energía para un proceso típico de
combustión de flujo estacionario se convierte en
Q sal a N r 1h° f h h°2 r
15555255553
a N p 1h° f h h°2 p
15555255553
Energía hacia el sistema mediante Energía fuera del sistema mediante
la masa por mol de combustible la masa por mol de combustible
(15-13)
Esto expresa que la salida de calor durante un proceso de combustión simplemente
es la diferencia entre la energía de los reactivos que entran y la energía
de los productos que dejan la cámara de combustión.
Sistemas cerrados
La relación general de balance de energía para un sistema cerrado E entrada
E salida ΔE sistema se expresa para un sistema cerrado químicamente reactivo
en reposo como
1Q ent Q sal 2 1W ent W sal 2 U prod U react 1kJ>kmol combustible2
(15-14)
donde U prod representa la energía interna de todos los productos, y U react es la
energía interna de los reactivos. Para evitar el uso de otra propiedad —la energía
interna de formación u – f °— se utiliza la definición de entalpía (u– h – Pv – o
u – f ° u– u – ° h – ° f h – h – ° Pv – ) y se expresa la ecuación anterior como
(Fig. 15-22):
U = H – PV
– – –
= N(h°
f + h – h°) – PV
– – – –
= N(h°
f + h – h° – Pv)
Q W N p h° f h h° Pv p N r h° f h h° Pv r (15-15)
donde hemos tomado la transferencia de calor hacia el sistema y el trabajo realizado
por el sistema como cantidades positivas. Los términos Pv – son insignificantes
para sólidos y líquidos y pueden sustituirse por R u T para gases que se
comportan como un gas ideal. También, si se desea, los términos h – Pv – en la
ecuación 15-15 pueden sustituirse por u – .
El término de trabajo en la ecuación 15-15 representa todas las formas de
trabajo, incluyendo el trabajo de frontera. En el capítulo 4 se mostró que U
W b ΔH para sistemas cerrados no reactivos sometidos a un proceso de
expansión o compresión a P constante en cuasiequilibrio. Éste también es
el caso para los sistemas químicamente reactivos.
Existen varias consideraciones importantes en el análisis de sistemas reactivos.
Por ejemplo, se necesita conocer si el combustible es un sólido, un
líquido o un gas, pues la entalpía de formación h – f ° de un combustible depende
de la fase del combustible. También es necesario conocer el estado del combustible
cuando entra a la cámara de combustión para determinar su entalpía.
En especial para los cálculos de entropía es importante saber si el combustible
y el aire entran a la cámara de combustión premezclados o separadamente.
Cuando se enfrían los productos de combustión hasta temperaturas bajas, se
debe considerar la posibilidad de condensación de una parte del vapor de agua
en los gases producto.
EJEMPLO 15-6 Análisis de combustión de flujo estacionario
con base en la primera ley
En una cámara de combustión entra propano líquido (C 3 H 8 ) a 25 °C y a una
tasa de 0.05 kg/min, donde se mezcla y quema con 50 por ciento de exceso de
aire que entra a la cámara de combustión a 7 °C, como se indica en la figura
15-23. Un análisis de los gases de combustión revela que todo el hidrógeno
en el combustible se convierte en H 2 O pero sólo 90 por ciento del carbono se
FIGURA 15-22
Una expresión para la energía interna de
un componente químico en términos de
la entalpía.
C 3 H 8 ( )
25 °C,
0.05 kg/min
Aire
7 °C
.
Q = ?
Cámara de
combustión
FIGURA 15-23
Esquema para el ejemplo 15-6.
1 500 K
H 2 O
CO 2
CO
O 2
N 2