La región del espacio encerrada por los límites de un sistema abierto se denomina habitualmente volumen de control . Puede corresponder o no a paredes físicas. Es conveniente definir la forma del volumen de control de modo que todo el flujo de materia, de entrada o de salida, se produzca perpendicularmente a su superficie. Se puede considerar un proceso en el que la materia que fluye hacia dentro y hacia fuera del sistema es químicamente homogénea. [1] Entonces, la materia que entra realiza un trabajo como si estuviera impulsando un pistón de fluido hacia el sistema. Además, el sistema realiza un trabajo como si estuviera impulsando un pistón de fluido hacia fuera. A través de las paredes del sistema por las que no pasa materia, se pueden definir transferencias de calor ( δ Q ) y trabajo ( δ W ), incluido el trabajo del eje.
La termodinámica clásica considera los procesos de un sistema que se encuentra inicialmente y finalmente en su propio estado interno de equilibrio termodinámico, sin flujo. Esto también es posible bajo ciertas restricciones, si el sistema es una masa de fluido que fluye a una velocidad uniforme. En ese caso, para muchos propósitos, un proceso, llamado proceso de flujo, puede considerarse de acuerdo con la termodinámica clásica como si la regla clásica de no flujo fuera efectiva. [2] Para la presente explicación introductoria, se supone que la energía cinética del flujo y la energía potencial de elevación en el campo de gravedad no cambian, y que las paredes, excepto la entrada y la salida de materia, son rígidas e inmóviles.
En estas condiciones, la primera ley de la termodinámica para un proceso de flujo establece: el aumento de la energía interna de un sistema es igual a la cantidad de energía añadida al sistema por la materia que fluye hacia adentro y por el calor, menos la cantidad perdida por la materia que fluye hacia afuera y en forma de trabajo realizado por el sistema. En estas condiciones, la primera ley para un proceso de flujo se escribe:
donde U entrada y U salida denotan respectivamente la energía interna promedio que entra y sale del sistema con la materia que fluye.
Existen entonces dos tipos de trabajo realizado: el 'trabajo de flujo' descrito anteriormente, que se realiza sobre el fluido en el volumen de control (a esto también se le suele llamar ' trabajo PV '), y el 'trabajo de eje', que puede ser realizado por el fluido en el volumen de control sobre algún dispositivo mecánico con eje. Estos dos tipos de trabajo se expresan en la ecuación:
Sustituyendo en la ecuación anterior el volumen de control cv obtenemos:
La definición de entalpía , H = U + PV , nos permite utilizar este potencial termodinámico para explicar conjuntamente el trabajo de energía interna U y PV en fluidos para un proceso de flujo:
Durante el funcionamiento en estado estacionario de un dispositivo ( ver turbina , bomba y motor ), cualquier propiedad del sistema dentro del volumen de control es independiente del tiempo. Por lo tanto, la energía interna del sistema encerrado por el volumen de control permanece constante, lo que implica que d U cv en la expresión anterior puede establecerse igual a cero. Esto produce una expresión útil para la generación o el requisito de energía para estos dispositivos con homogeneidad química en ausencia de reacciones químicas :
Esta expresión se describe mediante el diagrama anterior.
