En este artículo vamos a explicar la primera ley de la termodinámica aplicada a un sistema abierto de una manera diferente. Cuando se aplica a un sistema abierto, la termodinámica de primer orden tiene aplicaciones tremendas en diversas industrias. Mediante este concepto, se puede predecir la caída de presión a través de una boquilla, calcular la cantidad de energía requerida por una bomba para bombear un fluido, determinar la transferencia de calor en un intercambiador de calor y calcular la cantidad de trabajo producido por una turbina.
La conservación de la energía: la primera ley de la termodinámica
La primera ley de la termodinámica es simplemente la conservación de la energía, lo que significa que la energía se transforma de una forma a otra forma. Para comprender cómo se aplica la primera ley de la termodinámica a un sistema termodinámico, analizaremos un ejemplo sencillo de un sistema de cilindro y pistón.
Imaginemos un cilindro que contiene gas y supongamos que no hay fugas de aire hacia el entorno. Este es un ejemplo de un sistema cerrado en el que la masa no cambia. Asumamos que este gas absorbe calor del entorno y que puede empujar el pistón hacia arriba debido a la alta presión del gas. El gas realiza un trabajo en el pistón. En este caso, hay dos interacciones de energía para el gas: absorción de calor y realización de trabajo.
Si queremos calcular el cambio de energía del gas, este aumentará debido a la absorción de calor y disminuirá debido al trabajo realizado. Por lo tanto, podemos escribir el cambio de energía del gas como ΔE = Q – W. Esta es la primera ley de la termodinámica para un sistema cerrado. En forma diferencial, esta ecuación se escribe como una tasa de cambio de cantidad por unidad de tiempo.
La primera ley de la termodinámica para un sistema abierto
Si abrimos el sistema como se muestra en la figura, el sistema deja de ser cerrado y se convierte en un sistema abierto. Ahora, la masa del sistema varía continuamente, con un flujo de entrada y un flujo de salida. Para calcular el cambio de energía del sistema, necesitamos definir un volumen de control donde haremos un balance de energía.
La línea de puntos representa el volumen de control, donde hay cuatro interacciones energéticas en total: dos entrantes y dos salientes. El cambio de energía del sistema se calcula sumando las transferencias de energía de las interacciones entrantes y restando las transferencias de energía de las interacciones salientes. La ecuación de la primera ley de la termodinámica para un sistema abierto se expresa como:
dE/dt = Q – W + ΔEin – ΔEout
Donde Q es el calor absorbido, W es el trabajo realizado, ΔEin es la transferencia de energía debida al flujo de entrada y ΔEout es la transferencia de energía debida al flujo de salida. El flujo de entrada y salida del sistema tiene tres componentes de energía: la energía interna, la energía cinética y la energía potencial. A esta última se le suele referir como energía de elevación.
El trabajo hecho por el sistema en un sistema abierto
En el caso de un sistema abierto, es necesario examinar cuidadosamente el trabajo realizado por el sistema, en este caso, el gas. Como se observa en la figura, el gas realiza trabajo para empujar el pistón y también para expulsar o aspirar el fluido. Este último tipo de trabajo se conoce como trabajo de flujo y se representa por el producto de la fuerza ejercida por el área y la velocidad de flujo.
El trabajo total realizado por el sistema será la suma del trabajo visible (trabajo hecho por el gas en el pistón) y el trabajo de flujo. Si hacemos algunas manipulaciones en la ecuación, sustituyendo el flujo volumétrico por la masa volumétrica y el volumen específico y representando u + Pv como una nueva propiedad, entalpía, la ecuación se simplifica:
dE/dt = Q – W + ṁ(hin – hout)
Esta es la forma final y más útil de la primera ley de la termodinámica para un sistema abierto.
Con esta ecuación, podemos resolver muchos otros problemas de transferencia de energía en industrias. Esto es todo acerca de la primera ley de la termodinámica aplicada a un sistema abierto. Gracias por leer este artículo.
