La región del espacio encerrada por los límites del sistema abierto generalmente se denomina volumen de control . Puede corresponder o no a paredes físicas. Es conveniente definir la forma del volumen de control de modo que todo el flujo de materia, hacia adentro o hacia afuera, ocurra perpendicular a su superficie. Se puede considerar un proceso en el que la materia que entra y sale del sistema es químicamente homogénea. [1] Luego, la materia que ingresa realiza un trabajo como si estuviera impulsando un pistón de fluido hacia el sistema. Además, el sistema realiza el trabajo como si estuviera expulsando un pistón de fluido. A través de las paredes del sistema que no pasan materia, se pueden definir transferencias de calor ( δ Q ) y trabajo ( δ W ), incluido el trabajo en eje.
La termodinámica clásica considera procesos para un sistema que inicialmente y finalmente se encuentra en su propio estado interno de equilibrio termodinámico, sin flujo. Esto también es factible bajo algunas restricciones, si el sistema es una masa de fluido que fluye a una velocidad uniforme. Entonces, para muchos propósitos, un proceso, llamado proceso de flujo, puede considerarse de acuerdo con la termodinámica clásica como si la regla clásica de no flujo fuera efectiva. [2] Para el presente relato introductorio, se supone que la energía cinética del flujo y la energía potencial de elevación en el campo de gravedad no cambian, y que las paredes, además de la entrada y salida de la materia, son rígidas y inmóvil.
En estas condiciones, la primera ley de la termodinámica para un proceso de flujo establece: el aumento en la energía interna de un sistema es igual a la cantidad de energía agregada al sistema por la materia que fluye y por el calentamiento, menos la cantidad perdida por la materia que fluye fuera y en forma de trabajo realizado por el sistema. En estas condiciones, se escribe la primera ley para un proceso de flujo:
donde U dentro y U fuera, respectivamente, denotan la energía interna promedio que entra y sale del sistema con la materia que fluye.
Entonces, hay dos tipos de trabajo realizado: 'trabajo de flujo' descrito anteriormente, que se realiza en el fluido en el volumen de control (esto también se llama a menudo ' trabajo fotovoltaico '), y 'trabajo de eje', que puede ser realizado por el fluido en el volumen de control en algún dispositivo mecánico con un eje. Estos dos tipos de trabajo se expresan en la ecuación:
La sustitución en la ecuación anterior del volumen de control cv da como resultado:
La definición de entalpía , H = U + PV , nos permite usar este potencial termodinámico para contabilizar conjuntamente la energía interna U y el trabajo PV en fluidos para un proceso de flujo:
Durante el funcionamiento en estado estable de un dispositivo ( ver turbina , bomba y motor ), cualquier propiedad del sistema dentro del volumen de control es independiente del tiempo. Por lo tanto, la energía interna del sistema encerrada por el volumen de control permanece constante, lo que implica que d U cv en la expresión anterior puede establecerse igual a cero. Esto produce una expresión útil para la generación de energía o el requisito de estos dispositivos con homogeneidad química en ausencia de reacciones químicas :
Esta expresión se describe en el diagrama anterior.
Ver también
- Diagrama de flujo del proceso
- Ecuación de energía de flujo estacionario / Flujo único en estado estacionario