Principios integrales de conservación: fenómenos de transporte

Química. Movimiento. Momento angular. Energía total, mecánica e interna. Especies químicas

  • Enviado por: Omar Vela
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 22 páginas
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INDICE

Objetivo 3

1.-Conservacion de la masa 4

1.1.-Breve explicación 4

1.2.-Ejemplos 5

2.-Ecuación de cantidad de movimiento 8

2.1.-Breve explicación 8

2.2.- Ejemplos 9

3.-Ecuación del momento angular 10

3.1.-Breve explicación 10

3.2.-Ejemplos 11

4.-Conservación de la energía total 13

4.1.-Breve explicación 13

4.2.-Ejemplos 14

5.-Ecuacion de la energía mecánica 16

5.1.-Breve explicación 16

5.2.-Ejemplos 17

6.-Ecuación de la energía interna 19

6.1.-Breve explicación 19

6.2.-Ejemplos 20

7.-Conservación de las especies químicas 21

7.1.-Breve explicación 21

7.2.-Ejemplos 22

Objetivo

El objetivo último de este trabajo es el entendimiento de las ecuaciones integrales de conservación a través de unos ejemplos, por ello los ejemplos usados son fáciles en comprender, debido a que primeramente se necesitan unos conocimientos que se puedan usar en casos sencillos, para que posteriormente extrapolemos nuestros conocimientos y se puedan aplicar a los casos que aparentemente son más complicados. Por tanto tras varias horas de recopilaciones de problemas de libros, resolverlos, e incluso tras haber inventado alguno de los problemas, el resultado que he obtenido ha sido la realización de este trabajo.

PRINCIPIOS INTEGRALES DE CONSERVACIÓN

1.-Conservación de la masa.

1.1.Breve explicación

Este principio nos indica que la masa de un conjunto de partículas permanece constante, para un volumen fluido:

y como la masa de un volumen fluido es:

entonces:

Principios integrales de conservación: fenómenos de transporte

Empleando el tercer teorema de transporte:

Esta ecuación nos indica que el cambio de masa por unidad de tiempo en Vc más el gasto másico saliente que fluye a través de las paredes del volumen de control es igual a cero.

1.2.-Ejemplos

Ejemplo 1

Una tobera es un tubo de sección variable que se usa para aumentar la velocidad de un fluido que pasa por ella. Imaginemos que tenemos una tobera de sección triangular, un triángulo mide de base L y de altura H, el otro tiene una base de longitud l y una altura h. Si entra un fluido de densidad constante ρ a una velocidad v1, calcular la velocidad de salida.

Aplicando el principio de conservación de la masa

ρv1(-1)S1+ρv2(1)S2=0, entonces:

Ejemplo 2

Una pistola que se usa para poner silicona en ventanas, etc., tiene el siguiente mecanismo: Dos cilindros uno de diámetro D, y otro de diámetro d, en el cilindro mayor hay un émbolo que al desplazarse hace que el agua salga por la superficie del cilindro menor, para mayor claridad véase la figura siguiente. ¿Cuál es la relación entre la velocidad de avance del émbolo y el caudal que sale por el cilindro menor?

Este problema se resuelve aplicando la ecuación conservación de la masa.

Desarrollando el primer término obtenemos el siguiente resultado:

Del mismo modo, al desarrollar el segundo término obtenemos lo siguiente:

Uniendo las dos ecuaciones e igualándolas a cero, como dice el principio de conservación de la masa, nos queda:

Y como el caudal de salida es igual a:

Este problema lo he elegido por dos razones, la primera es debido a su sencillez, y la segunda es porque este es uno de los pocos tipos de problemas en los que no debemos coger un volumen de control estacionario, y por tanto la primera integral no se anula, cosa que sucederá cuando sea un volumen de control estacionario.

En esta primera parte no voy a realizar más ejemplos de conservación de masa, pero veremos como será necesario tener en cuenta este principio para posteriores problemas.

2.- Ecuación de cantidad de movimiento

2.1.Breve explicación

La segunda ley de Newton es la base fundamental de esta ecuación:

donde P es el momento lineal y Fext las fuerzas exteriores que actúan sobre las partículas

Por tanto, empleando el tercer teorema de transporte:

La ecuación anterior representa la variación de la cantidad de movimiento por unidad de tiempo en Vc más el flujo de cantidad de movimiento saliente a través de las paredes del volumen de control es igual a las fuerzas de superficie y de volumen ejercidas sobre el volumen de control. Además podemos aclarar que la última integral es el peso de volumen dentro del volumen de control.

2.2-Ejemplos

Ejemplo 1

Se tiene una tubería de sección circular que se divide en dos, como indica el esquema, por la cual circula un fluido de ρ = 1000 Kg/m3, y los datos conocidos son los indicados en el esquema, calcular la fuerza necesaria para mantener el sistema fijo.

Las fuerzas verticales se anulan entre sí, debido a la simetría existente en el eje y. hacemos el estudio sobre las fuerzas horizontales,

Entonces nos queda:

-10000+2*1000*2*0'75=106*10-2*7*106*0'75+Fx

Fx=49300N

Como hemos visto que las fuerzas que realiza el fluido sobre el eje Y se anulan, nosotros solo tendremos que realizar fuerza en el eje X, y debe valer 499300 N, y debe ser hacia la derecha, tal y como se indica en la figura

3.- Ecuación del momento angular

3.1.Breve explicación

El momento de las fuerzas exteriores puede ser creado por las fuerzas de superficie y por las fuerzas de volumen, por tanto Mext=Ms+Mv.

Para un volumen de control, y aplicando el tercer teorema de transporte obtenemos la siguiente ecuación, lo que nos indica es que la variación de momento angular por unidad de tiempo en el volumen de control mas el flujo de momento angular saliente a través de las paredes del volumen de control es igual al momento de las fuerzas de superficie y de volumen ejercidas sobre el volumen de control.

3.2.-Ejemplos

Ejemplo 1

Una máquina de estucar tiene el siguiente mecanismo, consiste en un tubo con dos orificios por donde sale la pasta de estucar, este tubo gira en torno a un eje, para más claridad observar el esquema.Si sabemos que los dos orificios tienen forma circular y son del mismo radio, sabemos que por 1 sale con una velocidad v1, y por dos sale con el doble de velocidad que por 1.Si sale por 1 con una presión P1, calcular P2, teniendo en cuenta que la densidad ρ es constante. Considerar despreciables los rozamientos.

Nota: no necesitamos saber V0, ni P0, ya que su producto vectorial sería 0 por que el radio lo consideramos cero

Usando la ecuación del momento angular:

Por tanto, nos queda:

Desarrollandolo nos queda:

(R1 x ρv12n)S1+(R2 x ρv22n)S2=R1 x (-P1)S1+R2 x (P2)S2

Realizando los productos vectoriales nos quedara el siguiente resultado en el eje Z

ρv12R1S1+ ρv22R2S2= -P1S1R1+P2S2R2

Despejando P2 obtenemos el resultado:

4.- Conservación de la energía total

4.1.Breve explicación

Basada en el primer principio de la termodinámica, que dice lo siguiente: el cambio de energía total de un sistema es igual al trabajo que estamos realizando sobre el sistema más la energía que estamos introduciendo a través de su superficie en forma de calor.

Si las formas de energía posibles son la interna y la cinética:

La potencia desarrollada por las fuerzas exteriores tiene la contribución de las fuerzas de volumen y de las fuerzas de superficie, el calor también tiene dos contribuciones, una a través de la superficie de dominio, q, y otra el calor transmitido a distancia, qv, por unidad de volumen.

Por tanto, para un volumen de fluido y aplicando los teoremas de transporte:

4.2.-Ejemplos

Ejemplo 1

Tenemos el siguiente sistema, en el cual todas paredes excepto dos son adiabáticas, es decir no puede pasar el calor, la entrada uno está situada a una altura h y la salida estada situada a una altura H, en el esquema las paredes que están más gruesas son las adiabáticas. Si sabemos la velocidad de entrada y de salida, el calor que entra, la energía interna a la salida, y la energía interna que hay a la entrada. Calcular el calor que se desprende Qs

Entonces:

Entonces al despejar nos queda:

5.-Ecuación de la energía mecánica

5.1.Breve explicación

Partiendo de las ecuaciones diferenciales, tema que se sale del estudio de este trabajo, obtendríamos la ecuación siguiente:

Esta ecuación nos indica que la variación de energía mecánica por unidad de tiempo en Vc más el flujo de energía mecánica saliente a través de las paredes del volumen de control es igual a la potencia de las fuerzas de superficie (presión y esfuerzos viscosos), más el trabajo de expansión realizado por unidad de tiempo y menos la energía perdida por unidad de tiempo por la disipación viscosa.

5.2.-Ejemplos

Ejemplo 1

Se tiene una tubería larga y de forma troncocónica por la base mayor entra a velocidad v1 y presión P1un fluido y sale por la base menor con velocidad v2 y presión P2. Determinar v2 en función de v1, para posteriormente calcular P1, suponiendo conocidas v1, P2 y ρ, que es la densidad y se supone constante en todo momento. Considerar despreciable el peso del fluido y la variación de energía interna

Para hallar v2 utilizamos el principio de conservación de masa:

Para hallar la presión usamos el principio de conservación de la energía mecánica:

Por tanto, obtenemos lo siguiente

6.-Ecuación de la energía interna

6.1.Breve explicación

Si restamos la ecuación del apartado anterior de la ecuación de la energía total obtenemos la de la energía interna:

Nos indica que la variación de energía interna por unidad de tiempo en Vc más el flujo de energía interna saliente a través de las paredes del volumen de control es igual a menos la potencia de expansión, más la energía perdida por unidad de tiempo por la disipación viscosa mas el calor añadido al sistema.

6.2.-Ejemplos

Ejemplo 1

Se tiene una tubería cilíndrica por la entrada se introduce un fluido de densidad ρ con energía interna e, velocidad v y presión p, y las paredes del cilindro, exceptuando las bases son adiabáticas, si todo el calor que se introduce por la entrada se utiliza en aumentar la energía interna, y sabemos que a la salida el fluido tiene una velocidad V una presión P, y su energía interna es el doble de la entrada. ¿Qué calor se necesita para conseguir esta situación?

7.-Conservación de las especies químicas

7.1.Breve explicación

La ecuación de la conservación de las especies químicas es la siguiente, que se obtiene tras múltiples y complicadas operaciones:

Su interpretación nos indica que el aumento de masa de la especie química i por unidad de tiempo en el volumen de control más el flujo de masa de la especie química a través de la superficie de control es igual al transporte por difusión molecular y la producción por reacción química.

7.2.-Ejemplos

Ejemplo 1

Tenemos un suelo contaminado con benceno, en un tiempo t=0,la concentración de benceno es ρb= ρb0. Para eliminar esta contaminación lo que se hace es introducir aire que se mezcla con el benceno y se disuelve saliendo por otra parte el compuesto. Calcular la concentración de benceno en función del tiempo, del caudal de salida y del volumen del tanque.

Usando la formula de las especies químicas tenemos que:

Donde los dos últimos términos son cero, el primero de ellos dos es cero debido a que están bien mezcladas las dos sustancias, y el segundo es cero debido a que no se crea sustancia nueva al mezclar benceno y aire

1º Ing. Química C.P.S Zaragoza Fenómenos de transporte

Principios integrales de conservación 21/07/ Pag. 20/22

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d

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Agitador (no requiere trabajo)

D

V

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Como V2 es constante

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0, volumen de control con velocidad nula

0, no hay flujo a través de S1 y Sp

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S1

S2

V1 es el volumen en naranja, y V2 es el volumen en verde

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R2

R1

S2

S1

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0

0,estacionario

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l

L

H

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30 grados

30 grados

0, rozamientos despreciables

0

0, estado estacionario

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Las dos superficies de salida son iguales;

v2=(2/cos 30) m/s

P2= 7 Mpa

S2=0'75

v1=10 m/s

P1=10 Mpa

S1=1 m2

h

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S2

S1

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V2

P2

V1

P1

V0

P0

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0,est. estacionario

0

0, enunciado

Se anulan

X

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Y

Z

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Radio r

Qs

Qe

e

v1

P1

ef?

v2

P2

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0,est. estacionario

0

0, despreciables

0, no hay resistencias en el interior

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Superficie 4, de altura H

Superficie 3, de altura L-h

h

v,p,e

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Q

V,P,2e

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0,est.estacionario

0,volumen no varía con el tiempo

0

rozamientos despreciables

no hay resistencias en el interior

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0,est.estacionario

0

rozamientos despreciables

rozamientos despreciables

El volumen no varía con el tiempo

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0

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Peso del fluido despreciable

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F