PROPIEDADES DE ESTANCAMIENTO O REPOSO
Tomado de CENGEL, YUNUS & BOLES, MICHAEL. Thermodynamics. 3rd edition. McGraw Hill. 1998
En el análisis de fluidos es conveniente
combinar la energía interna y la energía de flujo de un fluido en un solo
término, la Entalpía, definida como
H = U + PV. Siempre que las
energías cinética y potencial de un fluido son despreciables, como generalmente
ocurre, la entalpía representa la energía total del fluido. Para sistemas de flujo de alta velocidad, la
energía potencial del fluido es siempre despreciable, pero la energía cinética
no. En estos casos, es conveniente
combinar la entalpía y la energía cinética del fluido en un solo término
llamado Entalpía de Estancamiento o Total, definida como
H0 = h + V2
/2 [kJ/kg]
que representa la energía total de un fluido
fluyendo en una corriente por unidad de masa. Esto simplifica el análisis de
los fluidos a alta velocidad.
Considerando el flujo a través de un ducto tal
como una boquilla, un difusor o cualquier otro dispositivo donde el flujo se
lleva a cabo adiabáticamente y sin trabajo de eje o eléctrico. Asumiendo que el fluido no experimenta
cambio o muy poco en su elevación y en su energía potencial, para un sistema de
flujo simple a estado estable se tiene
H1 + V12 / 2 = H2
+ V22
/2
H01 = H02
es decir, la entalpía de estancamiento
permanece constante para fluidos a estado estable que no tiene interferencia de
calor o trabajo.
Si el fluido se llevara a completo reposo,
entonces la velocidad en el estado 2 sería cero y la ecuación anterior quedaría
H1 + V12 / 2 = H2
= H02
H01 = H02
Entonces la entalpía de
estancamiento representa la entalpía de un fluido cuando es llevado
adiabáticamente a reposo.
Durante el proceso de estancamiento
la energía cinética del fluido se convierte en entalpía, lo cual resulta en un
incremento en la temperatura y presión del fluido. Estas propiedades se les
llama Propiedades de Estancamiento.
Cuando el fluido es un gas
ideal la entalpía puede reemplazarse por
Cp T0
= Cp T + V2 /2
T0 = T + V2
/ 2Cp
Esta temperatura de
estancamiento T0 representa la temperatura que un gas ideal
alcanzará cuando es llevado a reposo adiabáticamente. El término V2 / 2Cp corresponde al aumento en la temperatura
durante el proceso y se le llama temperatura dinámica.
La presión que alcanza un
fluido llevado al descanso isentrópicamente se le llama la Presión de
Estancamiento P0. Para
gases ideales con calor específico constante se tiene
P0 / P
= ( T0 / T )k/k-1
donde k es la relación de capacidades caloríficas.
Así mismo la densidad de
estancamiento queda representada por
r0 / r =
( T0 / T )1/k-1
Finalmente, el balance de energía queda
(Qentra - Qsale) + (Wentra - Wsale) = Cp (T02 - T01)
+ g (z2 -z1)
Ejemplo 16.2
Un aeroplano vuela a
velocidad de crucero de 250 m/s a una altitud de 5,000 m donde la presión
atmosférica es 54.05 kPA y la temperatura ambiente del aire es 255.7°K. El motor del avión comprime aire a alta velocidad,
primero desacelerándolo en una difusor antes de que entre al compresor. Asumiendo que ambos compresor y difusor son
isentrópicos, determine:
a) la presión de
estancamiento a la entrada del compresor
b) el trabajo requerido del
compresor por unidad de masa si la razón de presión de estancamiento del
compresor es 8.
Solución
