SEXTO SEMESTRE SYLLABUS DE LA ASIGNATURA BALANCE ENERGETICO

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1 UNIDAD ACADEMICA SANTA CRUZ FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA Ingeniería Ambiental SEXTO SEMESTRE SYLLABUS DE LA ASIGNATURA BALANCE ENERGETICO Elaborado por: Ing. Flaby Castro Muriel Gestión Académica I/2013 1

2 UDABOL UNIVERSIDAD DE AQUINO BOLIVIA Acreditada como PLENA mediante R. M. 288/01 VISION DE LA UNIVERSIDAD Ser la Universidad líder en calidad educativa. MISION DE LA UNIVERSIDAD Desarrollar la Educación Superior Universitaria con calidad y competitividad al servicio de la sociedad. Estimado (a) estudiante: El Syllabus que ponemos en tus manos es el fruto del trabajo intelectual de tus docentes, quienes han puesto sus mejores empeños en la planificación de los procesos de enseñanza para brindarte una ecuación de la más alta calidad. Este documento te servirá de guía para que organices mejor tus procesos de aprendizaje y los hagas mucho más productivos. Esperamos que sepas apreciarlo y cuidarlo. Autorizado por: Fecha: Enero de 2013 SELLO Y FIRMA JEFATURA DE CARRERA 2

3 Asignatura: SYLLABUS Termodinámica Código: PET -206 Requisito: QMC Carga Horaria: 80 horas Teórico Prácticas Horas Teoricas: 40 Horas Practicas: 40 Créditos: 4 I. OBJETIVOS GENERALES DE LA ASIGNATURA. Comprender y aplicar los principios fundamentales de la Termodinámica. Conocer las transformaciones mutuas de las distintas formas de Energía y propiedades de las distintas sustancias que intervienen en tales procesos. Comprender los distintos procesos que pueden tener lugar con algunas sustancias puras y mezclas de gases. Comprender los distintos procesos que pueden tener lugar en sistemas abiertos y cerrados. Aplicar en problemas de cálculo, las propiedades termodinámicas utilizando en forma sistemática: tablas, diagramas, ecuaciones de estado y correlaciones generalizadas, que podrá servirle de base para su formación en la carrera de Ingeniería en gas y Petróleo. II. PROGRAMA ANALÍTICO DE LA ASIGNATURA. UNIDAD I INTRODUCCIÓN A LA TERMODINÁMICA Tema 1 Introducción 1.1 Conceptos 1.2 Propiedades termodinámicas 1.3 Ecuaciones de estado 1.4 Formas de energía UNIDAD II PRINCIPIOS DE LA TERMODINAMICA Tema 2 Principios de la Termodinámica 2.1 Primer principio de la termodinámica 2.2 Expresiones de la primera ley En sistemas cerrados En sistemas aislados Calor Trabajo Trabajo PV Para gases ideales Otros tipos de trabajo Energía interna y propiedades Procesos cíclicos Entalpía y propiedades Comparación entre Energía interna y Entalpía Más sobre la primera Ley. Para sistemas de conjunto Experimento de Joule Ejercicios de aplicación de todo el tema Tema 3 Primer principio para sistemas abiertos 3.1 Volumen de control 3.2 Balance de masa. General. En estado estacionario. Para fluidos incompresibles 3.3 Energía de masa que fluye. Trabajo de flujo. Energía del sistema 3.4 Balance de energía total. En estado estacionario. 3.5 Ejercicios de aplicación 3.6 Características de dispositivos en Ingeniería de flujo Aplicación del primer principio para sistemas abiertos a: procesos adiabáticos en una tobera, en una turbina, en un compresor, en un tabique poroso o estrangulación, en un fluido incompresible por una tubería. 3.7 Ejercicios de aplicación. Tema 4. Segundo principio de la Termodinámica 4.1 Enunciado 4.2 Entropía Propiedades Como se calcula? 4.3 Reversibilidad Irreversibilidad 4.4 Desigualdad de Clausius Clapeyron 4.5 Las relaciones TdS 4.7 Cambio de entropía en sólidos y líquidos y en gases ideales (sustancias puras) 4.8 Ejercicios de aplicación 4.9 Aplicaciones de la segunda ley en máquinas Térmicas. Ciclo de Carnot. Ciclo de Carnot Invertido. Ciclo de Diesel Entropía y Tercer principio de la Termodinámica Ejercicios de aplicación Tema 5 Gases reales 5.1 Ecuaciones para gases reales 3

4 5.1.1 Hipótesis de los estados correspondientes Factor de compresibilidad. Factor Acéntrico Ejercicios de aplicación utilizando información de tablas de propiedades. 5.2 Mezcla de gases Ley de Amagat Ley de Dalton Propiedades de las mezclas. Propiedades pseudocríticas y pseudoreducidas Determinación de Zm de una mezcla de gases reales. UNIDAD III TERMODINAMICA DE SOLUCIONES. APLICACIONES Tema 6 Termdinámica de las soluciones. Aplicación en Hidrocarburos líquidos 6.1 Soluciones gaseosas. 6.2 Concepto de fugacidad. 6.2 Soluciones reales. 6.3 Constante de equilibrio de vaporización. 6.4 Actividad 6.5 Propiedades en exceso. 6.6 Modelo de solución regular. 6.7 Diagramas binarios: mezclas binarias y azeotrópicas. 6.8 Propiedades coligativas. 6.9 Presion de convergencia Comportamiento de mezclas a altas presiones. Tema 7: Termodinámica de los Hidrocarburos 7.1 Análisis termodinámico de los procesos de refinación. 7.2 Balance de materia. 7.3 Sistemas con reaccion química. 7.4 Sistemas sin reacción química. 7.5 La conservación de la masa. 7.6 Balance de energía y entropía. 7.7 Trabajo y calor. 7.8 Balance de Energía. 7.9 Sistemas cerrados Balance de Entropía Aprovechamiento y Recuperación de energía. III. BRIGADAS UDABOL. El Sistema de Educación Superior Integral de la UDABOL SESI, se basa en el aprendizaje productivo a través del trabajo social comunitario, bajo una organización pedagógica en brigadas, de esta manera, las Brigadas - UDABOL estarán dirigidas a los sectores menos favorecidos de la sociedad y comprenderá: - La investigación de los problemas más acuciantes que enfrentan las comunidades más pobres. - Trabajar en equipos, habituándose a ser parte integral de un todo que funciona como un sistema, desarrollando un lenguaje común, criterios y opiniones comunes, y planteándose metas y objetivos comunes para dar soluciones en común a los problemas. - La carrera: Ing. en Gas y Petróleos participará activamente en las brigadas generales de la universidad y la presente materia es una asignatura de apoyo, cuya base teórica aporta a la investigación, elaboración e implementación de proyectos de desarrollo comunitario. PROCESO DE APRENDIZAJE O SUMATIVA. Se realizarán dos evaluaciones parciales con contenidos teóricos y prácticos. Cada uno de estos exámenes tendrá una calificación entre 0 y 50 puntos. El examen final será integrador de todos los contenidos de la materia con una calificación entre 0 y 50 puntos. V. BIBLIOGRAFÍA BIBLIOGRAFÍA BASICA. ATKINS, "Physical Chemistry", 5a edición Oxfor U.P 1995 BEISER, Arthur. "Teoría y problemas en ciencias fisicas". Máxico D. F., McGraw Hill, 1976 BELTRAN, Virgilio Braun, Eliécer." Principios de Física: Problemas resueltos", México D.F. Trillas, 1972 FORNI. "Termodinámica". GARCIA, Carlos A. "Termodinámica". HUANG, Francis. "Ingeniería termodinámica: Fundamentos y aplicación". México, D.F. : CECSA,

5 E. Barrull, 1994 YUNUS A. CENGEL MICHAEL A. BOLES. Termodinámica. México. MC GRAW HILL INTERAMERICAN A Editores BEISER, Arthur. "Teoría y problemas en ciencias fisicas". Máxico D. F., McGraw Hill, 1976 BELTRAN, Virgilio Braun, Eliécer." Principios de Física: Problemas resueltos", México D.F. Trillas, 1972 BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA. VI. CONTROL DE EVALUACIONES Y APUNTES 1 evaluación parcial Fecha Nota 2 evaluación parcial Fecha Nota Examen final Fecha Nota APUNTES 5

6 VII. PLAN CALENDARIO. SEMANA ACTIVIDADES OBSERVACIONES 1 Tema 1: 1.1 al Tema 1: 1.9. al Tema 2: 2.1 al Tema 2 : al Tema 2: al Tema 3:3.1 al 3.3 EVAL PARC I 7 Tema 3: 3.4. al 3.5 EVAL PARC I 8 Tema 3: 3.5. al 3.7 Presentación de notas 9 Tema 4: 4.1 al Tema 4: Tema 5: Tema 5: 5.2 EVAL PARC II 13 Tema 6:: 6.1 al 6.6 EVAL PARC II 14 Tema 6: 6.7 a 6.10 Presentación de notas 15 Tema 7: 7.1 al Tema 7: 7.8 al 7.11 º17 EVALUACION FINAL 18 EVALUACION FINAL 19 SEGUNDA INSTANCIA Presentación de notas 6

7 PROGRAMA DE CONTROL DE CALIDAD WORK PAPER # 1 UNIDAD O TEMA: INTRODUCCIÓN A LA TERMODINÁMICA TITULO: Introducción FECHA DE ENTREGA: PERIODO DE EVALUACION: INTRODUCCION La termodinámica es una rama fundamental de la Química, que se centra en el estudio macroscópico de la naturaleza en equilibrio Antes de entrar en el estudio termodinámico de procesos es necesario establecer una serie de conceptos para el mejor entendimiento de la asignatura.de estudio. Sistemas abiertos: aquellos que pueden intercambiar materia y energía. Sistemas aislados: que no pueden intercambiar ni materia ni energía. Alrededores: porción del Universo que no se va a estudiar, que puede interacciónar con el sistema. Pared: separación real o imaginaria entre el sistema y los alrededores.: Pared móvil o rígida, lo que permitirá o no un cambio de volumen del sistema. Pared: permeable, impermeable o semipermeable, lo que permitirá o no el intercambio de materia entre el sistema y los alrededores. Pared: Adiabática o Diatérmica, que permite o impide, respectivamente, mantener una diferencia de temperatura entre el sistema y los alrededores. Sistemas cerrados: son aquellos que pueden intercambiar energía, aunque no materia, con los alrededores. CUESTIONARIO WORK PAPER Nº 1 1. Investigar y estudiar conceptos en termodinámica. 2. Que es una ecuación de estado?, de cuatro ejemplos. 3. Que son las propiedades termodinámicas? 4. Convertir: a) 438 psia. ft 3 a kj b) 341 kpa. m 3 a J c) 393 B a J d) 843 Pa a bares e) 983 J/g. K a kj/kg.k f) 543 J/s a hp 5. Buscar tres ejemplos de transformaciones de energía. 7

8 PROGRAMA DE CONTROL DE CALIDAD WORK PAPER # 2 UNIDAD O TEMA: PRINCIPIOS DE LA TERMODINAMICA TITULO: Principios de la Termodinámica- Primera ley FECHA DE ENTREGA: PERIODO DE EVALUACION: Primera ley de la Termodinámica También conocido como principio de conservación de la energía. A partir de observaciones experimentales, la primera ley de la Termodinámica establece que la energía no se puede crear ni destruir durante un proceso, solo puede cambiar de forma. La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente: E entra E sale = ΔE sistema La forma de transferencia de energía común para todas las ramas de la física y ampliamente estudiada por éstas, es el trabajo. Dependiendo de la delimitación de los sistemas a estudiar y del enfoque considerado, el trabajo puede ser caracterizado como mecánico, eléctrico, etc. pero su característica principal es el hecho de transmitir energía y que, en general, la cantidad de energía transferida no depende solamente de los estados inicales y finales, sino también de la forma concreta en la que se lleven a cabo los procesos. El calor es la forma de transferencia de un tipo de energía particular, propiamente termodinámica, que es debida únicamente a que los sistemas se encuentren a distintas temperaturas. Los hechos experimentales corroboran que este tipo de transferencia también depende del proceso y no sólo de los estados inicial y final. La primera ley puede ser aplicada a sistemas cerrados y a sistemas abiertos CUESTIONARIO WORK PAPER Nº 2 1. Un gas ideal se expande (en sistema cerrado) en dos etapas, inicialmente desde un volumen de 1.5 L hasta 3.5 L contra una presión constante de 3 at, luego se expande desde 3.5 L hasta 5.5 L contra una presión de 1at. Si el calor absorbido en el proceso fue de 553 Kcal, cual será el cambio de energía interna del gas en el proceso?. 2. Un sistema está compuesto de un gas contenido en un cilindro con un pistón. El gas se expande del estado 1, para el que U 1 = 55 kj a un estado 2, para el que U 2 = -15 kj. Durante la expansión, el gas realiza J de trabajo sobre el entorno. Determine la cantidad de calor transferido hacia o desde el sistema durante el proceso. Que significado tiene el resultado? 3. Determine la energía interna final (en un sistema cerrado), de una masa de agua, que tiene una energía interna inicial de J, y luego sufre un proceso durante el cual se realizan sobre el sistema J de trabajo, y se eliminan kj de calor. 4. Dentro de un sistema cerrado se expande una cantidad de gas, realizando 53.0 kj de trabajo, en tanto que su energía interna disminuye en 25.0 kj. Determine la transferencia de calor del proceso. 8

9 5. Se calienta gas radón, inicialmente a 55 kpa, 150 o C, en un recipiente cerrado y rígido, hasta que llegue a 300 o C. La masa del radón es de 353 g. La tabla de propiedades muestra que a 150 o C, la energía interna del radón es de 23.3 Kj/kg; a 300 o C es de 39.8 kj/kg. Determine la cantidad de calor requerido. 6. Se tiene neón en un cilindro con un pistón, de forma que el gas puede comprimirse lentamente y sin fricción, de una presión inicial de 14.3 psia a una presión final de 44.3 psia. La temperatura y volumen iniciales son 75 F y 1.6 ft 3, y el proceso de compresión es tal que pv1.3= constante. La energía interna del neón en ft.lbf/lbm y está dada por U=1.5 pv, donde p está en libras fuerza por pie cuadrado absoluto y v está expresado en ft 3 /lbm. Determínese la transferencia de calor del proceso de compresión. 7. Un gas de alta presión se expande en un cilindro al hacer retroceder un pistón sin fricción mediante un eje conectado a él (Fig. 2.1) realizando así trabajo sobre el eje y la atmósfera, la cual está a 1 atmósfera. Durante un recorrido de expansión se registran los datos de la tabla 2.1. Fig 2.1 Cuanto trabajo en joules entrega el gas al eje en un recorrido de expansión?. Tabla 2.1 al inicio al final Volumen del gas En el cilindro Litro Presión del gas En el cilindro atm Presión neta atm Resistencia del aire exterior a atm 1 8. Se calienta agua en un recipiente cerrado sobre una estufa mientras es agitado con una rueda de paletas. Durante el proceso, 35 kj de calor se transfieren al agua y 5.3 kj de calor se pierden en el aire circundante. El trabajo de la rueda de paletas equivale a 500 N.m. Determine la energía interna final del sistema si su energía interna inicial es de 15 kj. 9. Un sistema perfectamente adiabático como por ejemplo una habitación, es calentada mediante un calentador electrico cuyo trabajo es 15 kj. Cuál será el cambio de energía interna de dicho sistema?. 10 En la siguiente tabla se tiene la información de cinco procesos en un sistema cerrado, llene los espacios en blanco donde esto sea posible: Q kj W kj U 1 kj U 2 kj U kj 1) ) ) ) ) Calcule el trabajo de un proceso en un sistema cerrado durante el cual se añaden 450 B de calor y la energía almacenada del sistema aumenta en 2300 B. 12. Durante un proceso 1-2 de un sistema cerrado, se añaden 250 B de calor al sistema, y la energía almacenada del sistema aumenta en 150 B. Durante el proceso inverso 2-1, que restaura al sistema a su estado inicial, se realizan 80 B de trabajo sobre el sistema. Determine la transferencia de calor del proceso Durante cierto proceso, un sistema cerrado realiza 30 B de trabajo, en tanto que se elimina 10B de calor. Entonces el sistema es restaurado a su estado inicial mediante un proceso en el que se añaden 4 B de calor. Determine U para este proceso. 14. Se comprime sin fricción etileno en un sistema cerrado, de 95 a 190 kpa de forma tal que pv=constante. Inicialmente la densidad es de 1.15 kg/m 3 y el volumen es de m 3. Durante la compresión, se elimina calor del etileno en una cantidad de 2.96 kj. Determine el cambio de energía interna del etileno. 15. En un cilindro se expande neon sin fricción contra un piston, de forma que p 0.7 V = constante a partir de condiciones iniciales de 300 kpa, 90 o C y un volumen de m 3, a una presión final de 120 kpa. El cambio de energía interna es de kj y el cambio de entalpia es - 4,31 kj. Determine la transferencia de calor. 16. Un recipiente rigido y aislado térmicamente, contiene 1.5 Lbm de Argon a 75 o F y 43 psia. En el recipiente hay una rueda de paletas que opera con una potencia nominal de 0.03 hp durante 25 min. Determinar a) la temperatura final,, b) la presión final del gas Argón. 17. Se comprime gas a presion constante de 0.9 atm desde un volumen de 9 L a 3 L. En el proceso se 9

10 escapan del gas 300 J de energía calorífica. a) Cual es el trabajo realizado por el gas?. b) Cual es el cambio de la energía interna del gas? 18. Un gas se lleva a través de proceso descrito en la fig.1. a) Encuentre el calor neto transferido al sistema durante un ciclo completo. b) Si el ciclo se invierte, cual es el calor neto transferido por el ciclo? 19. Un sistema cerrado ejecuta un ciclo compuesto de tres procesos separados. Durante el primer proceso 11 kj de calor son transferidos al sistema, mientras este realiza 5 kj de trabajo. El segundo preceso es adiabático. Durante el tercer proceso 6 kj de trabajo son realizados sobre el sistema, y la energía total de éste disminuye en 5 kj. Determinar la variación total de energía del sistema durante los dos primeros procesos, el calor transferido por el último proceso, y el trabajo para el segundo proceso. PROGRAMA DE CONTROL DE CALIDAD WORK PAPER # 3 UNIDAD O TEMA: PRINCIPIOS DE LA TERMODINAMICA TITULO: Conservación de la masa (sistemas abiertos) FECHA DE ENTREGA: PERIODO DE EVALUACION: Conservación de la masa Para sistemas cerrados, el principio de conservación de la masa, se usa de modo implícito. Sin embargo, para volúmenes de control, la masa puede cruzar las fronteras, de modod que se debe tener un registro de la cantidad de masa que entra y sale. La cantidad de materia que pasa por una seccion transversal por unidad de tiempo se de nomina flujo másico y se denota por, El principio de conservación de la masa volumen de control se puede expresar como: para un 10

11 (masa total que en- (masa total que Sale. (cantidad neta de tra al VC en un t) - del VC en un t) = masa en VC en un t) CUESTIONARIO WORK PAPER Nº 3 1. En una unidad de aire acondicionado, ingresa aire a 30 o C, con una densidad de 1.12 kg/m 3 a través de un área de sección transversal de m 2 con una velocidad de 12 m/s. Se elimina agua del aire y sale del sistema de aire acondicionado como un líquido a una velocidad de 45.5 Kg/h. El aire que sale de la unidad está a 15 o C con una densidad de 1.21 kg/m 3. El área de la sección transversal de descarga s de m 2. Determine la velocidad del aire que sale. 2. El sistema de aire acondicionado cuenta con un deshumidificador. Al deshumidificador entra aire atmosférico caliente conteniendo vapor de agua, con una entalpía de 90,00 kj/kg a una velocidad de 215 kg/h. El calor del aire es eliminado conforme este pasa por un banco de tubos por los que fluye agua fría. La humedad atmosférica que se condensa en los tubos se drena del deshumidificador con una entalpía de 34.00kJ/kg a una velocidad de 3.8 kg/h. La entalpía del aire a la salida es de kj/kg. Las velocidades a través del deshumidificador son en extremo bajas. Determine la velocidad de remoción de calor de la corriente de aire que pasa a través del deshumidificador. 3. Se tiene una turbina de viento, donde la velocidad del viento es V 1 y la velocidad del aire luego de pasar por la turbina es V 2. El aire que pasa a través de la turbina es frenado por una aspa. No hay cambio de presión o temperatura en el aire. Para una turbina de viento de 10 m de diámetro, donde pasan 2240 kg/s de aire en un viento de 25 m/s, la velocidad promedio del aspa es de 23 m/s. Con qué ritmo se toma energía del aire (en kw)?? 4. El agua que fluye en una tubería a una velocidad muy baja y a 30 psia y 60 o F. Se debe extraer agua de esta línea a una velocidad constante de 23 galones por minuto mediante la bomba, y descargada a través de una tubería que está a 23 ft más alto, donde la presión es de 60 psia. La línea de descarga en el interior es de 1.05 pulgadas. Si supone que no hay transferencia de calor ni cambio en la energía interna del agua, determine la cantidad de potencia suministrada al agua por la bomba. 5. Un cilindro émbolo (sin fricción) contiene 18 lbm de vapor 60 psia y 320 o F. Se transfiere calor al vapor hasta que la temperatura alcanza 400 o F. Si el émbolo no está unido a otro sistema y su masa es constante, determina el trabajo que realiza el vapor durante este proceso. 6. Un refrigerante en fase de vapor, entra al intercambiador de calor por la parte trasera del gabinete de un refrigerador doméstico, donde se elimina el calor al ambiente, de forma que el refrigerante se condensa hasta convertirse en líquido. Las propiedades del refrigerante en la entrada del condensador son: u 1 = 85.2 B/lbm, h 1 = 93.5 B/lbm, v 1 =0,295 ft3/lbm y en la salida son u 2 = 26.0 B/lbm, h 2 = 26.3 B/lbm, v 2 = 0,0123 ft3/lbm. Si la velocidad de flujo del refrigerante es de 42.0 lbm/h. a qué velocidad se transfiere calor al aire ambiente? 7. Un cilindro émbolo contiene 35 g de vapor de agua saturada que se mantiene a presión constante de 300 kpa. Dentro del cilindro se enciende un calentador de resistencia eléctrica y pasa una corriente de 0.5 A durante 5 min desde una fuente de 120 v. Al mismo tiempo, ocurre una pérdida de calor de 5 kj. Determine la temperatura final del vapor 8. A una tobera adiabática entra aire en forma estable a 300 kpa, 200 o C y 30 m/s y sale a 100 kpa y 180 m/s. El área de entrada de la tobera es de 80 cm 2. Determine a) el flujo másico por la tobera, b) la temperatura de salida del vapor y c) el área de salida de la tobera. 9. A una tobera adiabática que tiene una relación de área de entrada a salida de 2:1, entra aire a 600 kpa y 500 K, con una velocidad de 120 m/s, y sale con velocidad de 380 m/s. Determine: a) la temperatura de salida y b) la presión de salida del aire. 11

12 10. Durante unproceso de combustión de flujo estable se quema metano por completo con la cantidad estequiométrica de aire. Si tanto los reactivos como los productos se mantiene a 25 oc y 1 atm, y el agua en los productos existe en forma líquida, determine la transferencia de calor para este proceso. Cual sería su respuesta si la combustión se alcanzaría con 100 % de exceso de aire?. 11. En una cámara de combustión entra propano líquido a 25 oc y a una tasa d 1.2 kg/min donde se mezcla y quema con 150 % de exceso de aire que entra en la cámara de combustión a 12 oc. Si la combustión s completa y la temperatura de salida de los gass de combustión es 1200 K, determine a) el flujo másico del aire y b) la tasa de transferencia de calor de la cámar de combustión. PROGRAMA DE CONTROL DE CALIDAD WORK PAPER # 4 UNIDAD O TEMA : SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA TITULO: Entropía FECHA DE ENTREGA: PERIODO DE EVALUACION: Entropia La formulación matemática de la segunda ley, debida a Clausius (1865), introduce una nueva función de estado, la entropía, definida como Existe una propiedad llamada entropía S, la cual es una propiedad intrínseca de un sistema, funcionalmente relacionada con las coordenadas mensurables que caracterizan el sistema. Para un proceso reversible, los cambios en esta propiedad están dados por: donde S A es el valor (arbitrario) que asignamos a la entropía del estado de referencia A, T es la temperatura absoluta y dq rev es el calor intercambiado en un proceso irreversible ideal. (Jou y Llebot, 9-10) CUESTIONARIO WORK PAPER Nº 4 12

13 1. En un cilindro se comprime reversible e isotérmicamente aire desde 95 kpa y 25 o C, a 290 kpa. El volumen inicial es de m 3. Determine el trabajo de entrada, la transferencia de calor y el cambio de entropía del aire que se comprime. 2. Calcule el cambio de entropía del gas Neón que se calienta reversiblemente a una presión constante de 125 kpa de 20 o C a 110 o C en un sistema cerrado, 3. Un recipiente de plástico de 5 L, contiene aire a 300 K y 11.5 bar de presión Si usted lo puede expandir hasta 1 bar? a. Isotérmica y reversiblemente, b. Adiabática y reversiblemente. Cual será el cambio de entropía en el inciso a) y en el inciso b)? 4. Un cilindro embolo contiene aire ( se comporta como gas ideal) al inicio a 150 kpa y 27 o C y un volumen de 400 L En este estado 1, el embolo descansa sobre un par de topes. La masa del embolo es tal que se requiere una presión de 350 kpa para moverlo. Se calienta el aire reversiblemente, hasta que el volumen es dos veces el volumen inicial. La energía interna inicial es kj/ kg, y la energía interna en el estado 2 es 1113,52 kj/kg. El calor especifico a presión constante 27 o C es kj/k K y al final kj/ kg K Determinar a) la temperatura final, b) el trabajo que realiza el aire y c) el calor total transferido al aire.. d) el cambio de entropía. 5. Un recipiente rígido bien aislado con- Tien 2 kg de una mezcla saturada de líquido y vapor a 100 kpa. Al inicio, tres cuartas partes de la masa están en fase líquida, pero después se enciende un calentador de resistencia eléctrica colocado en el recipiente y funciona hasta que todo el líquido en el recipiente se evapora. Determine el cambio de entropía del vapor durante este proceso. 6. Al inicio un dispositivo de cilindro émbolo contiene 3 Lbm de agua líquida a 14 Psia y 70 of. El agua está ahora caliente a una presión constante por la adición de 3450 Btu de calor. Determine el cambio de entropía durante este proceso. 5. Una empresa industrial maneja metano líquido a 115 K y 5 MPa a una tasa de m 3 /s. Un proceso requiere reducir la presión del metano líquido a 1MPa, la cual se consigue usando una turbina adiabática para producir potencia mientras se reduce la presión a 1 MPa. Usando datos de tabla, determine la potencia que este dispositivo puede producir. 6. Una máquina térmica, recibe calor de una fuente, una gas ideal se encuentra dentro el sistema y se expande isotérmicamente a 132 o C desde una presión de 4 atm a 2.8 atm, vuelve a expandirse, esta vez adiabáticamente hasta llegar a 53 o C y 1 atm luego se comprime isotermicamente a 1.8 atm llegando adiabáticamente al punto inicial. a) Calcule el trabajo realizado por este sistema, b) la S del ciclo.c) la eficiencia de dicha máquina. 9. Determine el calor de entrada a una máquina de Carnot que opera entre 350 y 25 o C y produce 100 kj de trabajo, 10 En un sistema cerrado hay Helio que pasa por un ciclo compuesto por los tres procesos siguientes internamente reversibles 1) una expansión a presión constante de 300 kpa de 20 a 145 o C, 2) un enfriamiento a volumen constante a 20 o C, y (3) una compresión isotérmica a 300 kpa. Determine: a) las transferencias de energía por kilogramo de helio para cada proceso, b) la eficiencia térmica del ciclo. 10. Calcule la potencia requerida para impulsar un refrigerador reversible si se absorbe 130 kj/min de la región fría y los procesos isotérmicos ocurren entre 40 y -5 o C. 11. En una camara de combustión adiabática entra Gasetileno a 25 oc y 1 atm y se quema con 20 % de exceso de aire, que entra a 25 oc y 1 atm. La combustión es completa y los productos salen de la cámar de combustión auna presión de 1 atm. Su ponga que To= 25oC y determine a) la temperatura de los productos, b) la generación de entropía. 13

14 PROGRAMA DE CONTROL DE CALIDAD WORK PAPER # 6 UNIDAD O TEMA: GASES REALES TITULO: La hipótesis de los estados correspondientes compresibilidad generalizados. FECHA DE ENTREGA: y Factores de PERIODO DE EVALUACION: Hipótesis de estados correspondientes Se conoce que la ecuación de gases ideales solo modela con presición solo en ciertos rango de presión y temperatura. A fin de ser usada en otros rangos se modifico, de la siguiente manera: Pv = ZRT Donde Z es el factor de compresibilidad, sin embargo no se cuenta valores de Z para muchos gases, en amplios rangos de presion y temperatura. Se empezo a utilizarla hipótesis de los estados correspondiente: que dice: dos gases cualesquieratiene valores iguales para la realción de presion contra la presion crítica y para la relacion de temperatura contra temperatura crítica, por lo tanto la relacion de volumen contra volumen critico será la misma para los dos gases. A las realciones mencionadas anteriormente se conocen como coordenadas reducidas T r = T/T c P r = P/P c V r = V/V c Para estados muy alejados del estado crítico, rinde mejores resultados el factor de compresibilidad generalizado. Un perfeccionamiento basado en la correlacion de datos para muchos gases sobre amplios rangos de temperatura y presión es tomar: Z = Z (0) + w Z (1) donde Z (0) y Z (1) son funciones de T r y P r y ω es el factor acéntrico. CUESTIONARIO WORK PAPER Nº 6 1. Que representa el punto crítico. 2. Que establece la ley de estados correspondientes 3. Como se definen, y que representan los parámetros reducidos. 4. Que representa un gráfico de factor de compresibilidad generalizado. 5. Se comprime metano isotérmicamente mediante un dispositivo de cilindro-émbolo desde 1 MPa y 100 o C a 4 MPa. Calcule la generación de entropía y la 14

15 irreversibilidad asociada con el proceso si la temperatura ambiente es de 25 o C. Use el modelo de gas real. 6. Se estrangula vapor desde 10 MPa, 400 o C a 3 MPa. Si la temperatura ambiente es de 25 o C, determine el cambio en la temperatura y la irreversibilidad para una tasa de flujo de 1 kg/s. Use el modelo de gas real. Cuál sería el resultado si el vapor fuese estrangulado desde 10 MPa, 400 o C a 5 MPa? 7. Calcule el volumen específico de vapor a 30 Mp, 500 oc, utilizando la crata de factores de compresibilidad generalizados, y compárelo con el correspondiente valor de tabla de vapor. 8. En una turbina aislada se expande metano a una velocidad de kgs de 10 MPa, 30 oc, a 2.0 MPA, - 43oC. Considere los cambios de energía cinética despreciables. Determine la potencia de salida y el cambio de entropía del metano que fluye por la turbina. 9. Un tanque de 2.2 m3 contiene eteno a 50 MPa y 273 K. Utilizando el factor de compresibilidad generalizado, determine la masa de eteno en el tanque.. 15

16 PROGRAMA DE CONTROL DE CALIDAD WORK PAPER # 7 UNIDAD O TEMA: TERMDINÁMICA DE LAS SOLUCIONES. APLICACIÓN EN HIDROCARBUROS LÍQUIDOS TITULO: Mezcla de gases FECHA DE ENTREGA: PERIODO DE EVALUACION: Mezclas gaseosas Para poder hacer un análisis de primera y segunda Ley en la Termodinámica es necesario conocer las propiedades termodinámicas de las sustancias de trabajo, como son por ejemplo, la energía interna, la entalpía y la entropía. Por eso existen datos Termodinámicos que permiten, conocidas dos propiedades, obtener las demás. Cuando se trabajan con mezclas de gases, uno de los problemas que puede presentarse es que se pueden tener diferentes combinaciones de gases y las proporciones en la que se pueden combinar son infinitas, por esto se utilizan modelos para obtener propiedades, El modelo a utilizar dependerá del comportamiento de la mezcla, es decir, si todos los componentes se comportan idealmente en la mezcla, entonces se tiene una mezcla de gases ideales, pero si algún componente está fuera de la región de comportamiento ideal, entonces se tiene una mezcla de gases reales Composición de la mezcla La masa de la mezcla es la suma de las masas de cada uno de sus componentes, y el número de moles totales es la suma de los moles de cada uno de los componentes. m T = m i n T = m j La composición normalmente se indica con la fracción mollar o másica de sus componentes, entonces: g i = m i /m T Fraccion molar del componente i y I = n i / n T CUESTIONARIO WORK PAPER Nº 7 1. Que dice la Ley de Gibas Dalton? 2. Un dispositivo cilindro-émbolo contiene 2 kg de H2 y 14 kg de O2 a 150 K y 5000 kpa. Ahora se transfiere calor hasta que la mezcla se expande a presión constante ( porqué permanece la presión constante?) hasta que la temperatura alcanza 200 K. Determine la transferencia de calor tratando a la mezcla como gas perfecto. Cuál sería el resultado si el dispositivo contuviera 3 kg de H2 y 12 kg de O2? 3. Un dispositivo cilindro-émbolo contiene 0.1 kg de N2 y 0.2 kg de CO2 a 300 K 100 kpa. Ahora se comprime la mezcla isoentrópicamente a una presión de 1000 kpa. Determine la temperatura final tratando la mezcla como un gas perfecto. Cuál sería la respuesta si se utilizara el modelo de gas ideal? Fraccionen masa del componente i 16

17 4. Determine la masa de 1 m3 de aire (N2:79% y O2: 21% en volumen) a 10 MPa y 160K, asumiendo que el aire es una mezcla de gases perfectos. Cuál sería la respuesta si se utilizara el modelo de mezcla de gases reales? 5. Un dispositivo cilindro-émbolo contiene 1 lbm de O2 y 9 lbm de N2 a 300 R, 900 psia. La mezcla de gases se calienta ahora a presión constante hasta 400 R. Determine la transferencia de calor durante el proceso de expansión tratando la mezcla como una mezcla de gases perfectos. Cuál sería la respuesta si se utilizara el modelo de mezcla de gases reales. 6. Aire (79% N 2 y 21% O 2 en volumen) es comprimido isotérmicamente a 500 K desde 4 a 8 MPa en un compresor de flujo estacionario, a una tasa de 5 kg/s. Asumiendo que no hay irreversibilidades, determine la entrada de potencia al compresor. Trate el aire como una mezcla de (a) gases perfectos (b) gases ideales (c) gases reales. PROGRAMA DE CONTROL DE CALIDAD DIF s # 1 UNIDAD O TEMA: TERMDINÁMICA DE LAS SOLUCIONES. APLICACIÓN EN HIDROCARBUROS LÍQUIDOS TITULO: Termodinámica de disoluciones FECHA DE ENTREGA: PERIODO DE EVALUACION: 1.Investigue: 1. Que son las propiedades pseudocríticas? 2. Cuando se utilizan?? 3. Realice un ejercicio donde se apliquen estas propiedades CONCLUSIONES (Deberán sintetizar la opinión del grupo): 17

18 COMENTARIOS (deberán sintetizar la opinión del grupo): GRUPO (máximo cinco integrantes): AP. PATERNO AP. MATERNO NOMBRES FIRMA 18

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