Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

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CAPÍTULO 5
control de forma estacionaria, sin experimentar cambios con
el tiempo en una posición fija. El contenido de masa y energía
del volumen de control permanecen constantes durante un
proceso de flujo estacionario. Si se considera que la transferencia
de calor hacia el sistema y el trabajo realizado por el
sistema son cantidades positivas, las ecuaciones de conservación
de la masa y la energía para procesos de flujo estacionario
se expresan como
# #
a m a m
entrada salida
# #
Q W a m # a h V 2
salida 2 gz b # V 2
a m a h
entrada 2 gz b
para cada salida
⎫
⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎭
⎫
⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎭
para cada entrada
Éstas son las formas más generales de las ecuaciones para
procesos de flujo estacionario. Para sistemas de una sola
corriente (una entrada y una salida) como toberas aceleradoras,
difusores, turbinas, compresores y bombas, las ecuaciones
se simplifican a
m 1 m 2 1 1
V
v 1 A 1 V
1 v 2 A 2
2
Q W m h 2 h 1
V 2
2
V 1
2
2
g z 2
z 1
En estas relaciones, los subíndices 1 y 2 denotan los estados
de entrada y salida, respectivamente.
La mayor parte de los procesos de flujo no estacionario se pueden
modelar como un proceso de flujo uniforme, el cual requiere
que el flujo del fluido en cualquier entrada o salida sea uniforme
y estacionario, así que las propiedades del fluido no cambian
con el tiempo o con la posición en la sección transversal de una
entrada o salida. De lo contrario, se promedian y se tratan como
constantes durante todo el proceso. Cuando los cambios de energía
cinética y potencial relacionados con el volumen de control
y las corrientes de fluido son insignificantes, las relaciones de
balance de masa y energía para un sistema de flujo uniforme se
expresan como
m entrada m salida ¢ m sistema
Q W a mh a mh 1m 2 u 2 m 1 u 1 2 sistema
salida entrada
donde Q Q neto,entrada Q entrada Q salida es la entrada neta
de calor y W W neto,salida W salida W entrada es la salida de
trabajo neto.
Al resolver problemas termodinámicos, se recomienda usar
para todos los problemas la forma general del balance de energía
E entrada E salida E sistema y simplificarla para los problemas
particulares en lugar de usar las relaciones específicas
dadas aquí para procesos diferentes.
REFERENCIAS Y LECTURAS RECOMENDADAS
1. ASHRAE, Handbook of Fundamentals, versión SI, Atlanta,
GA, American Society of Heating, Refrigerating, and
Air-Conditioning Engineers, Inc., 1993.
2. ASHRAE, Handbook of Refrigeration, versión SI, Atlanta,
GA, American Society of Heating, Refrigerating, and Air-
Conditioning Engineers, Inc., 1994.
3. Y.A. Çengel y J.M. Cimbala, Fluid Mechanics: Fundamentals
and Applications, Second Edition, Nueva York,
McGraw-Hill, 2009.
PROBLEMAS*
Conservación de la masa
5-1C Defina los flujos másico y volumétrico. ¿Cómo se
relacionan entre sí?
5-2C ¿Cuándo es estacionario el flujo que pasa por un volumen
de control?
5-3C ¿La cantidad de masa que entra a un volumen de control
tiene que ser igual a la cantidad de masa que sale durante
un proceso de flujo no estacionario?
5-4C Considere un dispositivo con una entrada y una salida.
Si los flujos volumétricos en la entrada y en la salida son
iguales, ¿el flujo por este dispositivo es necesariamente estable?
¿Por qué?
* Los problemas marcados con “C” son preguntas de concepto, y se
exhorta a los alumnos a contestarlas todas. Los problemas marcados
con una “E” están en unidades inglesas, y quienes utilizan unidades SI
pueden ignorarlos. Los problemas con un ícono son de comprensión
y se recomienda emplear un software como EES para resolverlos.
5-5E Un acumulador neumático acondicionado para mantener
una presión constante cuando el aire entra o sale, está
ajustado a 200 psia. Inicialmente, el volumen es 0.2 pies 3 , y
la temperatura es 80 °F. Después se agrega aire al acumulador
hasta que su volumen es 1 pie 3 y su temperatura es 80 °F.
¿Cuánto aire se ha agregado al acumulador?
5-6E Un compresor de flujo uniforme se usa para comprimir
helio de 15 psia y 70 °F en la entrada a 200 psia y 600 °F
en la salida. El área de salida y la velocidad son 0.01 pies 2 y
100 pies/s, respectivamente, y la velocidad de entrada es de
50 pies/s. Determine el flujo másico y el área de entrada.
Respuestas: 0.0704 lbm/s, 0.133 pies 2
5-7 A una tobera entra aire constantemente a 2.21 kg/m 3 y
40 m/s, y sale a 0.762 kg/m 3 y 180 m/s. Si el área de entrada
de la tobera es 90 cm 2 , determine a) la tasa de flujo másico
por la tobera, y b) el área de salida de ésta.
Respuestas: a) 0.796 kg/s, b) 58 cm 2