Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

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ANÁLISIS DE MASA Y ENERGÍA
dado que el estado inicial del sistema son simplemente las condiciones de
línea del vapor. Este resultado es idéntico al obtenido con el análisis de flujo
uniforme. Una vez más, el aumento de temperatura se debió a la denominada
energía de flujo o trabajo de flujo, que es la energía requerida para mover el
fluido durante el flujo.
EJEMPLO 5-13 Descarga de aire mantenido a temperatura constante
Un recipiente rígido aislado de 8 m 3 contiene aire a 600 kPa y 400 K. Una
válvula conectada al tanque está ahora abierta, y se deja escapar aire hasta
que la presión en el interior caiga a 200 kPa. La temperatura del aire durante
el proceso se mantiene constante mediante un calentador de resistencia eléctrica
colocado en el recipiente. Determine la energía eléctrica suministrada al
aire durante este proceso.
Solución Se permite escapar aire a presión en un tanque rígido aislado, a
temperatura constante, hasta que la presión interior se reduzca a un valor
especificado. Se debe determinar la energía eléctrica suministrada al aire.
Suposiciones 1 Éste es un proceso no estacionario, ya que las condiciones dentro
del dispositivo cambian durante el proceso; pero se puede analizar como un
proceso de flujo uniforme, ya que las condiciones de salida permanecen constantes.
2 Las energías cinética y potencial permanecen constantes. 3 El recipiente
está aislado, por lo que la transferencia térmica es insignificante. 4 El aire es un
gas ideal con calores específicos variables.
Análisis Consideramos como sistema el contenido del tanque, que es un
volumen de control, ya que la masa cruza el límite del sistema (Fig. 5-49).
Observando que las energías microscópicas de los fluidos que fluyen y que no
fluyen están representadas por la entalpía h y la energía interna u, respectivamente,
los balances de masa y energía para este sistema de flujo uniforme se
pueden expresar como
Balance de masa:
m entrada m salida m sistema m e m 1 m 2
Balance de energía:
E entrada E salida E sistema
Transferencia neta de energía
por calor, trabajo y masa
Cambio en las energías interna,
cinética, potencial, etc
W e, entrada m e h e m 2 u 2 m 1 u 1 ya que Q ec ep 0
La constante de los gases para el aire es R = 0.287 kPa · m 3 /kg · K (tabla
A-1). Las masas inicial y final del aire en el recipiente y la cantidad descargada
se determinan, a partir de la relación de gas ideal, como
m 1
P 1 V 1
RT 1
600 kPa8m 3
0.287 kPa m 3 kg K400 K
41.81 kg
Aire
V = 8 m 3
P = 600 kPa
T = 400 K
FIGURA 5-49
Esquema para el ejemplo 5-13.
W e,entrada
m 2
P 2 V 2
RT 2
200 kPa 8m 3
0.287 kPa m 3 kg K400 K
13.94 kg
m e m 1 m 2 41.81 13.94 27.87 kg
La entalpía y la energía interna del aire a 400 K son h e 400.98 kJ/kg
y u 1 u 2 286.16 kJ/kg (tabla A-17). La energía eléctrica suministrada al
aire se determina, a partir del balance de energía, como