termodinamica 5.5

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5.5 ANÁLISIS DE PROCESOS DE FLUJO NO ESTACIONARIO Durante un proceso de flujo estacionario no ocurren cambios dentro del volumen de control; por esto no hay que preocuparse delo que sucede dentro de las fronteras, debido a que el volumen de control no varia, con el tiempo se simplifica en gran medida el análisis.

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Capitulo 5 del libro de termo

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Page 1: Termodinamica 5.5

5.5 ANÁLISIS DE PROCESOS DE FLUJO NO ESTACIONARIODurante un proceso de flujo estacionario no ocurren cambios dentro del volumen de control; por esto no hay que preocuparse delo que sucede dentro de las fronteras, debido a que el volumen de control no varia, con el tiempo se simplifica en gran medida el análisis.

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El balance de masa para cualquier sistema que experimenta algún proceso se puede expresar como:

Donde de control, también se puede expresar de manera mas explicita como

Donde i = entrada, e = salida, 1 = estado inicial y 2 = estado final del volumen de control. Con frecuencia uno o mas términos de la ecuación anterior son ceros. Por ejemplo, so no entra masa al volumen de control, si no sale masa y si la inicio se evacua el volumen de control.

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Al analizar un proceso de flujo no estacionario s debe mantener un registro del contenido de energía del volumen de control así como de las energías de las corrientes de flujo que entran y salen.El Balance de Energía general se dio antes como

BALANCE DE ENERGÍA:

El proceso de flujo no estacionario es comúnmente difícil de analizar porque las propiedades de masa a la entradas y salidas pueden cambiar durante un proceso.. Sin embargo, la mayor parte de procesos de flujo no estacionario se pueden representar razonablemente bien mediante procesos de flujo uniforme.

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El balance de energía para un sistema de flujo uniforme se puede expresar de forma explícita como:

donde es la energía de una corriente de fluido en alguna entrada o salida por unidad de masa, y es la energía en el fluido estático dentro del volumen de control por unidad de masa. Cuando los cambios de energía cinética y potencial relacionados con el volumen de control y las corrientes de fluido son insignificantes, como normalmente sucede, el balance de energía anterior se simplifica a

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Donde es la entrada neta de calor y es la salida neta de trabajo. Note que si no entra ni sale masa del volumen de control durante un proceso , esta ecuación se reduce a la relación del balance de energía para sistemas cerrados. Observe también que en un sistema de flujo no estacionario puede haber trabajo de frontera así como trabajo eléctrico.

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EJEMPLO 5-12 Carga de recipiente rígido con vapor de agua

Un recipiente rígido, aislado, que al inicio se evacua, está conectado mediante una válvula a una línea de suministro que lleva vapor de agua a 1 MPa y 300 °C. Se abre la válvula y se permite que el vapor fluya de manera lenta al recipiente hasta que la presión alcanza 1 MPa, punto en el que se cierra la válvula. Determine la temperatura final del vapor en el recipiente.

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Balance de masa:

Balance de energía:

De la combinación de los balances de masa y energía, se obtiene

0

Es decir la energía interna final del vapor de agua en el recipiente es igual a la entalpia del vapor que entra al recipiente. La entropía del vapor en el estado de entradas

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que es igual a . Como se conocen dos propiedades en el estado final, éste se encuentra especificado y su temperatura se determina de la misma tabla como:Interpolando:

-X=-56,07-400X=456,07

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EJEMPLO 5-13 Descarga de aire mantenido a temperatura constante

Un recipiente rígido aislado de 8 contiene aire a 600 kPa y 400 . 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.

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Balance de masa:

Balance de energía:

La constante de los gases para el aire es R = 0.287 (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

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La entalpía y la energía interna del aire a 400 K son (tabla A-17). La energía eléctrica suministrada al aire se determina, a partir del balance de energía, como

)+(13,94kg)(286,16)-(41,81kg)(286,16)