Análisis de Masa y Energía de Volúmenes de Control

ANÁLISIS DE MASA Y ENERGÍA DE VOLÚMENES DE CONTROL Conservación de la masa Al igual que la energía, la masa es una propiedad conservada y que no puede crearse ni destruirse durante un proceso. Para volúmenes de control, la masa puede cruzar las fronteras, de modo que se debe mantener un registro de la cantidad de masa que entra y sale.

Flujos másico y volumétrico La cantidad de masa que pasa por una sección transversal por unidad de tiempo se llama flujo másico. La velocidad nunca es uniforme en una sección transversal de tubería debido a que el fluido se adhiere a la superficie y, por lo tanto, tiene velocidad cero en la pared. Se define la velocidad promedio Vprom como el valor promedio de V n en toda la sección transversal. El volumen del fluido que pasa por una sección transversal por unidad de tiempo se llama flujo volumétrico.

Principio de conservación de la masa

 - m

mentrada

 = ∆m

salida

VC

Balance de masa para procesos de flujo estacionario Durante un proceso de flujo estacionario, la cantidad total de masa contenida dentro de un volumen de control no cambia con el tiempo. Entonces el principio de conservación de la masa requiere que la cantidad total de masa que entra a un volumen de control sea igual a la cantidad total de masa que sale del mismo. La tasa total de masa que entra a un volumen de control es igual a la tasa total de masa que sale del mismo.

Caso especial: flujo incompresible Las relaciones de conservación de la masa pueden simplificarse aún más cuando el fluido es incompresible, lo cual es el caso en los líquidos. No existe un principio de “conservación del volumen”; por lo tanto, los flujos volumétricos que

entran y salen de un dispositivo de flujo estacionario pueden ser diferentes.

TRABAJO DE FLUJO Y ENERGÍA DE UN FLUIDO EN MOVIMIENTO En los volúmenes de control hay flujo de masa a través de sus fronteras, y se requiere trabajo para introducirla o sacarla del volumen de control. Este trabajo se conoce como trabajo de flujo o energía de flujo.

ANÁLISIS DE ENERGÍA DE SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO Proceso de flujo estacionario: proceso durante el cual un fluido fluye de manera estacionaria por un volumen de control. 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. Como resultado, el trabajo de frontera es cero para sistemas de flujo estacionario y el cambio en la energía total del volumen de control es cero. Q  = tasa de transferencia de calor entre el volumen de control y sus alrededores. Cuando el volumen de control está perdiendo calor, Q es negativo. Si el volumen de control está bien aislado (es decir, es adiabático), entonces Q= 0. W = potencia. Para dispositivos de flujo estacionario, el volumen de control es constante; por lo tanto, no hay trabajo de frontera.

ALGUNOS DISPOSITIVOS INGENIERILES DE FLUJO ESTACIONARIO Toberas y difusores Una tobera es un dispositivo que incrementa la velocidad de un fluido a expensas de la presión. Un difusor es un dispositivo que incrementa la presión de un fluido al desacelerarlo. Las toberas y difusores por lo común no implican trabajo y cualquier cambio de energía potencial es insignificante. Turbinas y compresores Los compresores son dispositivos que se utilizan para incrementar la presión de un fluido. Los compresores son dispositivos que se utilizan para incrementar la presión de un fluido. La transferencia de calor desde las turbinas por lo general es insignificante ya que normalmente están bien aisladas. La transferencia de calor es también insignificante para los compresores, a menos que haya enfriamiento intencional. Los cambios de energía potencial son insignificantes para todos estos dispositivos mientras que las velocidades, con excepción de turbinas y ventiladores, son demasiado bajas para causar algún cambio importante en su energía cinética. Válvulas de estrangulamiento Las válvulas de estrangulamiento son dispositivos de diferentes tipos que restringen el flujo de un fluido provocando una caída relevante de presión. La caída de presión en el fluido suele ir acompañada de una gran disminución de temperatura. Las válvulas de estrangulamiento son por lo regular dispositivos pequeños, y se puede suponer que el flujo por ellos es adiabático. Tampoco se realiza trabajo, y el cambio en la energía potencial, si tiene lugar, es muy pequeño

Cámaras de mezclado Mezclar dos corrientes de fluido no es raro. La sección donde el proceso de mezclado tiene lugar se conoce como cámara de mezclado. El principio de conservación de la masa para una cámara de mezclado requiere que la suma de los flujos másicos entrantes sea igual al flujo másico de la mezcla saliente. Las cámaras de mezclado por lo regular están bien aisladas y normalmente no involucran trabajo. Asimismo, las energías cinética y potencial de las corrientes de fluido son comúnmente insignificantes. Intercambiadores de calor Los intercambiadores de calor son dispositivos donde dos corrientes de fluido en movimiento intercambian calor sin mezclado. El principio de conservación de la masa para un intercambiador de calor que opera de forma estacionaria requiere que la suma de los flujos másicos de entrada sea igual a la suma de los flujos másicos que salen. Los intercambiadores de calor comúnmente no tienen que ver con interacciones de trabajo y los cambios de energía cinética y potencial son insignificantes para cada corriente de fluido. Si únicamente se selecciona un fluido como el volumen de control, entonces el calor cruzará esta frontera y pasa de un fluido a otro, y Q no será cero. Flujo en tuberías y ductos El flujo por una tubería o ducto comúnmente satisface las condiciones de flujo estacionario, de manera que se puede analizar como un proceso de flujo estacionario.