BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA EN UN SISTEMA CERRADO INTRODUCCION.

PRACTICA Nº2

BALANCE DE ENERGÍA EN UN SISTEMA CERRADO

INTRODUCCION.

Se dice que un sistema es abierto o cerrado dependiendo que exista o no transferencia de masa a través de la frontera del sistema durante el período de tiempo en que ocurre el balance de energía.

El sistema cerrado es una región de masa constante; se denomina masa de control. A través de sus límites sólo se permite la transferencia de energía, pero no de materia. La pared que rodea al sistema es impermeable.

FUNDAMENTO TEORICO.

Como indican nuestras discusiones previas, las únicas formas en que la energía de un sistema cerrado puede cambiarse a través de la transferencia de energía por trabajo o por calor. Además, basado en experimentos de Joule y otros, un aspecto fundamental del concepto de energía es que la energía se conserva; llamamos a esto la primera ley de la termodinámica. (Moran, Shapiro, Boettner, Bayley,2011,p.58)

Trabajo.

El trabajo generalmente se define como una fuerza F que actúa a través de un desplazamiento x, donde el desplazamiento está en la dirección de la fuerza. Es decir,

W=[pic 1]

Esta es una relación muy útil porque nos permite encontrar el trabajo requerido para peso, para estirar un cable, o para mover una partícula cargada a través de un campo magnético.

Sin embargo, al tratar la termodinámica desde un punto de vista macroscópico, es ventajoso para vincular la definición de trabajo con los conceptos de sistemas, propiedades y procesos. Por lo tanto, definimos el trabajo de la siguiente manera: el trabajo lo realiza un sistema si el único efecto en los alrededores (todo lo externo al sistema) podría ser la elevación de un peso. Tenga en cuenta que la elevación de un peso es, en efecto, una fuerza que actúa a través de una distancia. El aumento de un peso. El trabajo realizado por un sistema se considera positivo y el trabajo realizado en un el sistema se considera negativo. El símbolo W designa el trabajo realizado por un sistema. En general, el trabajo es una forma de energía en tránsito, es decir, la energía se transfiere a través de un límite del sistema. 

˙W≡ [pic 2]

(Sonntag, Borgnakke,2011,p.90-91)

Calor.

La definición termodinámica de calor es algo diferente de la comprensión cotidiana de la palabra. Es esencial entender claramente la definición de calor dada aquí, porque juega un papel en muchos problemas termodinámicos. Si se coloca un bloque de cobre caliente en un vaso de agua fría, sabemos por experiencia que el bloque de cobre se enfría y el agua se calienta hasta que el cobre y el agua alcanzar la misma temperatura Lo que causa esta disminución en la temperatura del cobre y el aumento en la temperatura del agua? Decimos que es el resultado de la transferencia de energía del bloque de cobre al agua. Es de tal transferencia de energía que llegamos en una definición de calor.

El calor se define como la forma de energía que se transfiere a través del límite de un sistema a una temperatura dada a otro sistema (o al entorno) a una temperatura más baja por virtud de la diferencia de temperatura entre los dos sistemas. Es decir, el calor se transfiere desde el sistema a la temperatura más alta al sistema a la temperatura más baja, y en la transferencia de calor ocurre únicamente debido a la diferencia de temperatura entre los dos sistemas.

˙Q≡ [pic 3]

 (Sonntag, Borgnakke,2011,p.106-107)

Ecuación de Estado.

Gas Ideal

La ecuación de los gases ideales realiza las siguientes aproximaciones:

1. Considera que las moléculas del gas son puntuales, es decir que no ocupan volumen.
2. Considera despreciables a las fuerzas de atracción-repulsión entre las moléculas.

PV=nRT

El factor de compresibilidad z.

Si bien hay muchos modelos matemáticos distintos, todos se pueden generalizar mediante la siguiente expresión:

PV=znRT

z es lo que se denomina factor de compresibilidad, que representa cuán alejado estamos del modelo ideal de los gases. Si z vale 1, entonces el modelo ideal es aplicable. Dependiendo de la presión los valores de z pueden ser menores o mayores a 1. Si la presión es baja dominan las fuerzas intermoleculares atractivas, las cuales reducen el volumen respecto al del gas ideal y z será menor que 1. A presiones altas dominan las fuerzas repulsivas, las cuales expandirán el gas respecto al gas ideal y z será mayor que 1. La desviación z se puede calcular con cualquiera de los modelos matemáticos.

(Zucker, Biblarz, 2002, p. 327)

Compresor

 Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tales como gases y vapores. Esto se realiza a través de un intercambio de energía entre la máquina y el fluido, en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la sustancia que pasa por él convirtiéndose en energía de flujo, aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir.

Al igual que las bombas, los compresores también desplazan fluidos, pero a diferencia de las primeras que son máquinas hidráulicas, éstos son máquinas térmicas, ya que su fluido de trabajo es compresible, sufre un cambio apreciable de densidad y, generalmente, también de temperatura; a diferencia de los ventiladores y los sopladores, los cuales impulsan fluidos, pero no aumentan su presión, densidad o temperatura de manera considerable.

OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA.

1. Determinar las propiedades iniciales y finales del Sistema.

2. Determinar la masa de aire que ingresa al Tanque rígido por tres métodos.

a. La Ley del Gas Ideal

b. El Principio de Estados Correspondientes

c. Ecuación de Soave-Redlich-Kwong

3. Hallar el error incurrido con el valor experimental

4. Calcular la transferencia de calor en el Sistema.

5. Graficar los Perfiles Temperatura y Presión versus tiempo del Cilindro y Temperatura y Presión versus tiempo del Tanque.

MATERIALES Y EQUIPOS USADOS.

• Compresor de aire
• Cilindro
• Manómetros
• Pirómetro
• Cronómetro

PROCEDIMIENTO.

- Se hace una revisión de las conexiones cuidando que no estén pasmadas o malogradas. Revisar que no haya aire remanente en el Tanque y/o purgarlo hasta la presión atmosférica.

- Abrir la llave del Tanque hacia la manguera. Cerrar la llave del cilindro del compresor hacia la manguera.

- Realizar la medida de la masa del Tanque.

- Se enciende el compresor a objeto de que introduzca aire comprimido a su cilindro con gas proveniente del medio ambiente hasta que se apague por sí solo. De otro modo apagar el proceso de compresión alrededor de los 100 Psig.

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