Sistemas Abiertos
Páginas: 9 (2152 palabras)
Publicado: 20 de octubre de 2011
C ELINA G ONZÁLEZ · Á NGEL J IMÉNEZ · I GNACIO L ÓPEZ · R AFAEL N IETO
Descripción General de los Sistemas Abiertos
30 de abril de 2009
Cuestiones y problemas: C5.40, C5.42, C5.44, C5.47, C5.51, C5.52, P3.14, P3.19
subrayados y en negrita para voluntarios punto de clase
Índice 5
1. Punto de partida 2. Análisis de un sistema abierto 3. Balance de masa 4. Balance de energía: 1erPrincipio para sistemas abiertos 2 3 4 4 5 6 6 6 7
10 5. Balance de entropía: 2o Principio para sistemas abiertos
6. Balance de exergía 7. Ecuaciones generales para un sistema abierto 8. Sistemas abiertos en procesos estacionarios 9. Balance de ímpetu como energía
2
1. 15 Punto de partida
Los sistemas abiertos se diferencian de los cerrados en que aquellos intercambian masa con su entorno. Lamayor parte de los procesos industriales tienen lugar en sistemas abiertos. En los procesos técnicos se toma una serie de flujos continuos de masa que son sometidos a interacción entre sí 20 y con su entorno. Estas interacciones producen transformaciones de tipo físico y químico dando lugar a intercambios energéticos de tipo mecánico o térmico con el exterior del sistema y a la obtención de nuevascorrientes continuas de masa como producto del proceso. Estos procesos de transformación e intercambio energético, tienen lugar, por tanto en sistemas termo25 dinámicos abiertos.
El punto de partida para la descripción que se hará de los sistemas abiertos se basa en los siguientes enunciados:
30
35
El principio de equilibrio local. En un sistema abierto, no existe en general unequilibrio interno, de manera que no hay una presión y temperatura únicas definidas en todo el sistema. Sin embargo, se supondrá en lo que sigue que, en torno a todos los puntos interiores al sistema existe una región en la que se dan condiciones de equilibrio de forma que sí se encuentras definidas la presión y temperatura de modo local, econtrándose que éstas varían en el espacio de forma continua a lolargo del sistema abierto que se considera.
NOTA: La mayoría de procesos de interés práctico en sistemas abiertos son cuasiestáticos. Sin embargo, hay algunos como la laminación que no lo son, y por lo tanto no se puede decir que se cumpla el principio de equilibrio local en lodo el sistema. La mínima condición que ha de cumplirse para mantener la validez de las ecuaciones que se van a obtener esque exista equilibrio local en las secciones de entrada y salida de masa al sistema, y por tanto estén definidas las variables termodinámicas en dichas secciones.
TAII - Termodinámica Aplicada a la Ingeniería Industrial - ETSI Industriales. José Gutiérrez Abascal 2, 28006 Madrid. +34913363150/3151
3 El primer y segundo principios de la termodinámica para los sistemas cerrados. Se asume quepara un sistema cerrado se tiene: P1: ∆U = Q − W P2: ∆S = Js + σ (1)
Aunque no aporta información adicional puesto que se trata de una combinación de las dos ecuaciones anteriores, también recordamos el balance de exergía para un sistema cerrado por su gran utilidad: ∆B = ( Q − T0 Js ) − (W − P0 ∆V ) − I (2)
40
siendo el primer término entre paréntesis el contenido exergético del calor,el segundo término el contenido exergético del trabajo e I = T0 σ la destrucción exergética.
2. Análisis de un sistema abierto
Obsérvese el conjunto mostrado en la siguiente figura. Se consideran dos sistemas termodinámicos:
45
El sistema abierto SA recibe masa de la corriente 1 y la cede a la corriente 2. Sus propiedades extensivas, designadas sin subíndices, varían con el tiempo: Z = Z(t). El contorno de SA también puede ser variable con el tiempo.
50
El sistema SC es un sistema cerrado constituido por toda la masa contenida por SA en el instante t más la cantidad infinitesimal de masa
TAII - Termodinámica Aplicada a la Ingeniería Industrial - ETSI Industriales. José Gutiérrez Abascal 2, 28006 Madrid. +34913363150/3151
4 dm1 que cruzará la frontera entre la corriente...
Descripción General de los Sistemas Abiertos
30 de abril de 2009
Cuestiones y problemas: C5.40, C5.42, C5.44, C5.47, C5.51, C5.52, P3.14, P3.19
subrayados y en negrita para voluntarios punto de clase
Índice 5
1. Punto de partida 2. Análisis de un sistema abierto 3. Balance de masa 4. Balance de energía: 1erPrincipio para sistemas abiertos 2 3 4 4 5 6 6 6 7
10 5. Balance de entropía: 2o Principio para sistemas abiertos
6. Balance de exergía 7. Ecuaciones generales para un sistema abierto 8. Sistemas abiertos en procesos estacionarios 9. Balance de ímpetu como energía
2
1. 15 Punto de partida
Los sistemas abiertos se diferencian de los cerrados en que aquellos intercambian masa con su entorno. Lamayor parte de los procesos industriales tienen lugar en sistemas abiertos. En los procesos técnicos se toma una serie de flujos continuos de masa que son sometidos a interacción entre sí 20 y con su entorno. Estas interacciones producen transformaciones de tipo físico y químico dando lugar a intercambios energéticos de tipo mecánico o térmico con el exterior del sistema y a la obtención de nuevascorrientes continuas de masa como producto del proceso. Estos procesos de transformación e intercambio energético, tienen lugar, por tanto en sistemas termo25 dinámicos abiertos.
El punto de partida para la descripción que se hará de los sistemas abiertos se basa en los siguientes enunciados:
30
35
El principio de equilibrio local. En un sistema abierto, no existe en general unequilibrio interno, de manera que no hay una presión y temperatura únicas definidas en todo el sistema. Sin embargo, se supondrá en lo que sigue que, en torno a todos los puntos interiores al sistema existe una región en la que se dan condiciones de equilibrio de forma que sí se encuentras definidas la presión y temperatura de modo local, econtrándose que éstas varían en el espacio de forma continua a lolargo del sistema abierto que se considera.
NOTA: La mayoría de procesos de interés práctico en sistemas abiertos son cuasiestáticos. Sin embargo, hay algunos como la laminación que no lo son, y por lo tanto no se puede decir que se cumpla el principio de equilibrio local en lodo el sistema. La mínima condición que ha de cumplirse para mantener la validez de las ecuaciones que se van a obtener esque exista equilibrio local en las secciones de entrada y salida de masa al sistema, y por tanto estén definidas las variables termodinámicas en dichas secciones.
TAII - Termodinámica Aplicada a la Ingeniería Industrial - ETSI Industriales. José Gutiérrez Abascal 2, 28006 Madrid. +34913363150/3151
3 El primer y segundo principios de la termodinámica para los sistemas cerrados. Se asume quepara un sistema cerrado se tiene: P1: ∆U = Q − W P2: ∆S = Js + σ (1)
Aunque no aporta información adicional puesto que se trata de una combinación de las dos ecuaciones anteriores, también recordamos el balance de exergía para un sistema cerrado por su gran utilidad: ∆B = ( Q − T0 Js ) − (W − P0 ∆V ) − I (2)
40
siendo el primer término entre paréntesis el contenido exergético del calor,el segundo término el contenido exergético del trabajo e I = T0 σ la destrucción exergética.
2. Análisis de un sistema abierto
Obsérvese el conjunto mostrado en la siguiente figura. Se consideran dos sistemas termodinámicos:
45
El sistema abierto SA recibe masa de la corriente 1 y la cede a la corriente 2. Sus propiedades extensivas, designadas sin subíndices, varían con el tiempo: Z = Z(t). El contorno de SA también puede ser variable con el tiempo.
50
El sistema SC es un sistema cerrado constituido por toda la masa contenida por SA en el instante t más la cantidad infinitesimal de masa
TAII - Termodinámica Aplicada a la Ingeniería Industrial - ETSI Industriales. José Gutiérrez Abascal 2, 28006 Madrid. +34913363150/3151
4 dm1 que cruzará la frontera entre la corriente...
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