Termodinámica Aplicada: Sistemas Abiertos, Cerrados, Toberas y Difusores

Sistemas Abiertos: Fundamentos y Procesos

Si un sistema abierto recibe calor o trabajo, su entropía tiende a aumentar. En un diagrama T-S (Temperatura-Entropía), el área bajo la curva representa el calor transferido (Q) o el trabajo reversible (W_r) en procesos específicos.

Sentido de Crecimiento en Transformaciones Isoentrópicas (Diagrama T-S)

• Presión: Hacia la izquierda, la presión crece.
• Volumen: Hacia la derecha, el volumen crece.

Tipos de Procesos en Sistemas Abiertos

• Procesos de Trabajo: Involucran máquinas y producción de potencia.
• Procesos de Derrame: Ocurren cuando no se produce trabajo técnico (ej. toberas, tuberías).
• Sistema Abierto: Intercambia materia y energía con el exterior.
• Flujo en Régimen Permanente: Sus características (presión, temperatura, velocidad) no varían con el tiempo en un punto fijo, pero sí pueden variar de una sección a otra.
• Primer Principio de la Termodinámica para Sistemas Abiertos: Al circular un flujo por una máquina, puede haber intercambio de calor y trabajo técnico. En un sistema abierto, se considera el trabajo de flujo (W_flujo) y el trabajo externo (W_ext).
• Turbina: Idealmente, no produce transferencia de calor (adiabática) y la entrada y salida pueden considerarse a la misma altura.
• Tobera: Se produce un derrame de fluido sin realización de trabajo técnico.
• Ecuación de Bernoulli: Se puede aplicar si la densidad (ρ) es constante (fluido incompresible), la viscosidad es nula, en una tubería de sección variable, sin intercambio de trabajo y en una circulación adiabática.

Sistemas Cerrados: Trabajo, Exergía y Procesos

El trabajo máximo se obtiene de la suma del trabajo adiabático y del isotermo. La energía cinética y potencial son 100% utilizables, pero la energía interna no lo es completamente.

Conceptos Clave en Sistemas Cerrados y Procesos de Flujo

• Exergía de Flujo: Parte utilizable de la energía.
• Proceso de Derrame: Ocurre cuando el flujo no pasa por una máquina y no se produce trabajo técnico.
• Tuberías en un Proceso de Derrame:
  • La energía cinética (Ec) puede considerarse cero en algunos casos.
  • Si la entalpía disminuye, indica una pérdida de calor por las paredes. Si la entalpía es constante, no habrá pérdida de calor significativa.
  • El rozamiento de un flujo origina una pérdida de presión.
  • Si el volumen disminuye, la exergía también disminuye.

Toberas y Difusores: Principios y Aplicaciones

Funciones de Estado y Derrame Adiabático

• Funciones de Estado en un Gas: Velocidad del sonido, energía interna (E_int) y entalpía.
• Derrame Adiabático: En un derrame adiabático, las pérdidas de calor (Q) son despreciables. El aumento de la energía cinética (Ec) se consigue con la disminución de la entalpía. El flujo puede resultar frenado por el rozamiento, y en el cuello de una tobera, la velocidad puede ser inferior a la crítica.

Toberas: Transformación de Energía y Rendimiento

• Tobera: Transforma la energía potencial (E_p) en energía cinética (E_c). En fluidos incompresibles, esto se relaciona con la energía de presión; en fluidos compresibles, con la entalpía.
• Rendimiento de Toberas: Generalmente entre 90-95%.
  • En la parte convergente, el rendimiento es alto (cercano al 95%).
  • En la parte divergente, el rendimiento puede ser menor debido a las altas velocidades del flujo y fenómenos de choque.
• Configuración según el Flujo:
  • Flujo Subsónico: Requiere una tobera convergente para acelerar.
  • Flujo Supersónico: Requiere una tobera divergente para acelerar.

Difusores: Conversión de Energía

• Difusor: Transforma la energía cinética (E_c) en entalpía (o presión en fluidos incompresibles). La configuración es inversa a la de las toberas.