Ecuación de balance de energía mecánica de fluidos
En este artículo, se explica la relación entre la ecuación fundamental de la termodinámica, que es esencialmente la combinación de la Primera y Segunda Leyes de la termodinámica, y la ecuación de balance energético en el contexto de los sistemas cerrados y abiertos. Señalamos algunos errores de interpretación en los intentos de derivar la ecuación fundamental a partir de estas Primera y Segunda Leyes de la termodinámica, que aparecen en varios libros de texto. Estos errores están relacionados con interpretaciones incorrectas de los términos de calor y trabajo en relación con los cambios de la entropía y el cambio de energía interna del sistema. Las consecuencias de la transferencia de materia para la formulación de la Primera y Segunda Leyes no suelen tenerse en cuenta adecuadamente, y existe una interpretación errónea generalizada de lo que se denomina “trabajo químico”. En este trabajo, presentamos una derivación correcta de la ecuación fundamental de las leyes básicas de la termodinámica, mediante un cuidadoso análisis de la transferencia de materia a un sistema abierto. Esto permite comprender el significado del “trabajo químico”.
Ecuación de balance energético sistema abierto
El calor y/o el trabajo pueden entrar o salir del volumen de control. Pero, por comodidad y como convención estándar, el intercambio neto de energía se presenta aquí con el intercambio neto de calor que se supone que entra en el sistema y el trabajo neto que se supone que sale del sistema. Si ninguna masa cruza la frontera, pero el trabajo y/o el calor sí lo hacen, el sistema se denomina “cerrado”. Si la masa, el trabajo y el calor no cruzan la frontera (es decir, los únicos intercambios de energía
que tienen lugar dentro del sistema), entonces el sistema se denomina sistema aislado. Los sistemas aislados y cerrados no son más que casos especializados del sistema abierto. En este texto, se hará hincapié en el enfoque de sistema abierto de la Primera Ley de la Termodinámica porque es más general. Además, casi todas las aplicaciones prácticas de la primera ley requieren un análisis de sistema abierto.
La comprensión del concepto de volumen de control es esencial para analizar un problema termodinámico o construir un balance energético. Existen dos enfoques básicos en el estudio de la Termodinámica: el enfoque de la masa de control y el enfoque del volumen de control. El primero se denomina enfoque de Le Grange y el segundo enfoque euleriano. En el concepto de masa de control, se estudia una “masa” de fluido con sus energías asociadas. El analizador “viaja” con el grupo dondequiera que vaya, manteniendo un equilibrio de todas las energías que afectan al grupo.
Ecuación de equilibrio energético en termodinámica
La primera ley de la termodinámica, cuando se aplica a un sistema abierto, tiene enormes aplicaciones en todos los sectores. Con esta ley se puede predecir la caída de presión en la boquilla, la energía que necesita la bomba para bombear el fluido, la transferencia de calor en el intercambiador de calor o el trabajo producido por la turbina.
Entenderemos cómo se aplica la primera ley para un sistema termodinámico analizando un ejemplo sencillo, un ejemplo de disposición de un cilindro de pistón. Aquí el cilindro tiene un poco de gas en su interior. Supongamos que no hay ninguna fuga de aire a los alrededores. Así que este es un ejemplo de sistema cerrado donde la masa no cambia. Asumamos que el gas está absorbiendo algo de calor Q del entorno; también asumamos que este gas es capaz de empujar el pistón hacia arriba debido a la alta presión del gas. Así que el gas está haciendo algún trabajo en el pistón con la cantidad W.
Así que hay 2 interacciones de energía para el gas, aumentará en una cantidad Q, porque está absorbiendo energía. Y disminuirá en una cantidad W ya que está perdiendo energía al realizar algún trabajo. Así que puedes escribir el cambio de energía (E) del gas como sigue.
Balance energético termodinámico
Considere un sistema que consiste en un reactor de tanque agitado en el que tiene lugar una reacción exotérmica, donde un motor externo está mezclando el contenido en los reactores. ¿Cuáles son los signos de [latex]Q[/latex] y [latex]W[/latex] para este sistema?
[latex]\N- Q + \dot{W}_{s} = \Sigma_{out} \dot{m}_{j} * (\hat{U}_{j} + P_{j} \hat{V}_{j} + \hat{E}_{k,j} + \hat{E}_{p,j}) – \Sigma_{in} \dot{m}_{j}*(\hat{U}_{j} + P_{j}hat{V}_{j} + \hat{E}_{k,j} + \hat{E}{p,j})[/latex]
Antes de entrar en un horno, el aire se calienta desde [latex]25^{circ}C[/latex] hasta [latex]150^{circ}C[/latex] y el cambio de entalpía específica para todo el proceso de calentamiento es de 3640 J/mol. El caudal de aire a la salida del calentador es de [latex]1,5 m^3/min[/latex] y la presión del aire en este punto es de 150 kPa absolutos.
Se utiliza agua para enfriar un líquido en un intercambiador de calor. El agua entra en el intercambiador de calor a [latex]10^{circ}C[/latex] y sale a [latex]100^{circ}C[/latex]. Utilizando la siguiente tabla, encuentre el cambio de entalpía del agua en su estado líquido.