Temperatura de estancamiento

En termodinámica y mecánica de fluidos , la temperatura de estancamiento es la temperatura en un punto de estancamiento en un flujo de fluido. En un punto de estancamiento, la velocidad del fluido es cero y toda la energía cinética se ha convertido en energía interna y se suma a la entalpía estática local . Tanto en el flujo de fluido compresible como en el incompresible , la temperatura de estancamiento es igual a la temperatura total en todos los puntos de la línea de corriente que conduce al punto de estancamiento. ^[1] Véase dinámica de gases .

Derivación

Adiabático

La temperatura de estancamiento se puede derivar de la Primera Ley de la Termodinámica . Aplicando la ecuación de energía de flujo estacionario ^[2] e ignorando los términos de trabajo, calor y energía potencial gravitacional, tenemos:

${\displaystyle h_{0}=h+{\frac {V^{2}}{2}}\,}$

dónde:

${\displaystyle h_{0}=\,}$entalpía de estancamiento específica de masa (o total) en un punto de estancamiento

${\displaystyle h=\,}$entalpía estática específica de masa en el punto de interés a lo largo de la línea de corriente de estancamiento

${\displaystyle V=\,}$Velocidad en el punto de interés a lo largo de la línea de corriente de estancamiento.

Sustituyendo la entalpía asumiendo una capacidad calorífica específica constante a presión constante ( ) tenemos: ${\displaystyle h=C_{p}T}$

${\displaystyle T_{0}=T+{\frac {V^{2}}{2C_{p}}}\,}$

o

${\displaystyle {\frac {T_{0}}{T}}=1+{\frac {\gamma -1}{2}}M^{2}\,}$

dónde:

${\displaystyle C_{p}=\,}$ capacidad calorífica específica a presión constante

${\displaystyle T_{0}=\,}$temperatura de estancamiento (o total) en un punto de estancamiento

${\displaystyle T=\,}$temperatura (o temperatura estática) en el punto de interés a lo largo de la línea de corriente de estancamiento

${\displaystyle V=\,}$Velocidad en el punto de interés a lo largo de la línea de corriente de estancamiento.

${\displaystyle M=\,}$Número de Mach en el punto de interés a lo largo de la línea de corriente de estancamiento

${\displaystyle \gamma =\,}$ Relación de calores específicos ( ), ~1,4 para aire a ~300 K ${\displaystyle C_{p}/C_{v}}$

Flujo con adición de calor.

${\displaystyle h_{02}=h_{01}+q}$

${\displaystyle T_{02}=T_{01}+{\frac {q}{C_{p}}}}$

q = Calor por unidad de masa agregada al sistema

Estrictamente hablando, la entalpía es función tanto de la temperatura como de la densidad. Sin embargo, invocando la suposición común de un gas calóricamente perfecto, la entalpía se puede convertir directamente en temperatura como se indicó anteriormente, lo que permite definir una temperatura de estancamiento en términos de la propiedad más fundamental, la entalpía de estancamiento.

Las propiedades de estancamiento (p. ej., temperatura de estancamiento, presión de estancamiento) son útiles en los cálculos del rendimiento de los motores a reacción . En las operaciones del motor, la temperatura de estancamiento a menudo se denomina temperatura total del aire . Con frecuencia se utiliza un termopar bimetálico para medir la temperatura de estancamiento, pero se deben tener en cuenta la radiación térmica.

Colectores solares térmicos

Las pruebas de rendimiento de los colectores solares térmicos utilizan el término temperatura de estancamiento para indicar la temperatura máxima alcanzable del colector con un fluido estancado (sin movimiento), una temperatura ambiente de 30 °C y una radiación solar incidente de 1000 W/m ² . Las cifras antes mencionadas son "valores del peor de los casos" que permiten a los diseñadores de colectores planificar posibles escenarios de sobrecalentamiento en caso de mal funcionamiento del sistema de colector. ^[3]

Ver también

• Punto de estancamiento
• Presión de estancamiento
• Temperatura total del aire

Referencias

1. Van Wylen y Sonntag, Fundamentos de la termodinámica clásica , sección 14.1
2. Van Wylen y Sonntag, Fundamentos de la termodinámica clásica , ecuación 5.50
3. Planificación e instalación de sistemas solares térmicos: una guía para instaladores, arquitectos e ingenieros. Sociedad Alemana de Energía Solar (DGS). 2005.ISBN​ 978-1844071258.

Bibliografía

• Van Wylen, GJ y Sonntag, RE (1965), Fundamentos de la termodinámica clásica , John Wiley & Sons, Inc., Nueva York