Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

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ANÁLISIS DE MASA Y ENERGÍA
FIGURA 5-17
Muchos sistemas de energía como las
centrales eléctricas operan en condiciones
estacionarias.
© Vol. 57/PhotoDisc/Getty RF.
Masa,
entra
m˙1
h 1
Volumen
de control
m VC = constante
E VC = constante
Volumen
de control
Masa,
sale
FIGURA 5-18
En condiciones de flujo estacionario, el
contenido de masa y energía de un volumen
de control permanecen constantes.
m˙ 2
h 2
m˙ 3
h 3
FIGURA 5-19
En condiciones de flujo estacionario, las
propiedades del fluido en una entrada o
salida permanecen constantes (no cambian
con el tiempo).
5-3 ■ ANÁLISIS DE ENERGÍA DE SISTEMAS
DE FLUJO ESTACIONARIO
Un gran número de 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 (Fig. 5-17). Los
procesos en los que se utilizan estos dispositivos se pueden representar razonablemente
bien a través de un proceso un tanto idealizado, llamado proceso de
flujo estacionario, definido en el capítulo 1 como un proceso durante el cual
un fluido fluye de manera estacionaria por un volumen de control. Es decir, las
propiedades del fluido pueden cambiar de un punto a otro dentro del volumen
de control, pero en cualquier punto permanecen constantes durante todo el proceso.
(Recuerde, estacionario significa ningún cambio con el tiempo.)
Durante un proceso de flujo estacionario, ninguna propiedad intensiva o
extensiva dentro del volumen de control cambia con el tiempo. Por lo tanto, el
volumen V, la masa m y el contenido de energía total E del volumen de control
permanecen constantes (Fig. 5-18). Como resultado, el trabajo de frontera
es cero para sistemas de flujo estacionario (puesto que V VC constante), y la
masa total o energía que entra al volumen de control debe ser igual a la masa
total o energía que sale de él (puesto que m VC constante y E VC constante).
Estas observaciones simplifican en gran medida el análisis.
Las propiedades del fluido en una entrada o salida permanecen constantes
durante un proceso de flujo estacionario. Sin embargo, las propiedades pueden
ser diferentes en entradas y salidas distintas, e incluso podrían variar en la sección
transversal de una entrada o salida. No obstante, las propiedades, entre otras
la velocidad y la elevación, deben permanecer constantes con el tiempo tanto
en un punto fijo como en una entrada o salida. Se deduce entonces que el flujo
másico del fluido en una abertura debe permanecer constante durante un proceso
de flujo estacionario (Fig. 5-19). Como una simplificación adicional, las propiedades
del fluido en una abertura son comúnmente consideradas uniformes (en
algún valor promedio) en la sección transversal. Así, las propiedades del fluido
en una entrada o salida pueden ser especificadas por los valores promedio únicos.
Asimismo, las interacciones de calor o trabajo entre un sistema de flujo estacionario
y sus alrededores no cambian con el tiempo. Por lo tanto, la potencia que
entrega un sistema y la tasa de transferencia de calor hacia o desde el sistema
permanece constante durante un proceso de flujo estacionario.
El balance de masa para un sistema general de flujo estacionario se dio en
la sección 5-1 como
a m # a m # 1kg>s2 (5-31)
entrada salida
El balance de masa para un sistema de flujo estacionario de corriente única
(con sólo una entrada y una salida) se dio como
m 1 m 2 1 V 1 A 1 2 V 2 A 2
(5-32)
donde los subíndices 1 y 2 denotan los estados de la entrada y la salida, respectivamente,
r es la densidad, V la velocidad promedio de flujo en la dirección
del flujo y A el área de la sección transversal normal a la dirección del
flujo.
Durante un proceso de flujo estacionario, el contenido de energía total de
un volumen de control permanece constante (E VC constante); por lo tanto,
el cambio en la energía total del volumen de control es cero (E VC 0). En
consecuencia, la cantidad de energía que entra a un volumen de control en
todas las formas (calor, trabajo y masa) debe ser igual a la cantidad de energía