242 6. Propiedades termodinámicas de los fluidos La energía interna es 34 10 bar 32 J Estos resultados concuerdan mucho más con los valores experimentales que los del supuesto caso del vapor de l-buteno considerado como un gas ideal. PROBLEMAS 6.1. 6.2. Partiendo de la ecuación demuestre que las isobaras en la región de vapor de un diagrama de Mollier deben tener una pendiente y curvatura positivas. Utilice el hecho de que la ecuación (6.20) es una expresión diferencial exacta para demostrar que 6.3. es el resultado de aplicar esta ecuación a un gas ideal? Estime los cambios de entalpía y entropía cuando el amoniaco líquido a 270 K se comprime desde su presión de saturación de 381 hasta 1200 Para el amoniaco líquido saturado a 270 K, = 1.551 X y = 2.095 X 6.4. 6.5. 6.6. El isobutano líquido es estrangulado por una válvula desde un estado inicial de 360 K y 4 000 hasta una presión final de 2 000 Estime el cambio de temperatura y el cambio de entropía del isobutano. El calor específico del isobutano líquido a 360 K es 2.78 J Las estimaciones de V y pueden encontrarse mediante la ecuación (3.52). Se llena un recipiente rígido con agua líquida a 25 C y 1 bar. Si se añade calor al agua hasta que su temperatura llega a es la presión desarrollada? El valor promedio de entre 25 y 50 C es 36.2 X El valor de K a 1 bar y es 4.42 X bar- y puede suponerse independiente de P. El volumen específico del agua líquida a es 1.0030 Estime el cambio de entropía en la vaporización del benceno a La presión de vapor del benceno está dada por la ecuación: 13.8858 2 788.51 c + 220.79 6.7. Utilice la ecuación (6.53) con un valor estimado de AV Utilice la ecuación de del ejemplo 6.4. Un flujo de gas propano se parcialmente mediante estrangulamiento, desde 200 bar y 370 K hasta 1 bar. fracción del gas se licua en este proceso? La presión de vapor del propano está dada por la ecuación (6.56) con parámetros: -6.72219, B = 1.33236, = -2.13868,
Problemas 243 6.8. El estado de de vapor de agua cambia de vapor saturado a a vapor sobrecalentado a y 1 son los cambios de entalpía y entropía del vapor? serían los cambios de entalpía y entropía si el vapor de agua fuese un gas ideal? 6.9. El agua líquida muy pura puede subenfriarse a presión atmosférica hasta temperaturas muy por debajo de 0 C. Suponga que 1 kg de agua ha sido enfriado como un líquido hasta -6 C. Ahora se añade un pequeño cristal de hielo (de masa despreciable) como semilla al líquido subenfriado. Si los cambios subsecuentes ocurren adiabáticamente a presión atmosférica, fracción del sistema se congela y cuál es su temperatura final? es el valor de AS para el proceso y cuál es su característica irreversible? El calor latente de fusión del agua a 0 C es 333.4 J y el calor específico del agua líquida subenfriada es 4.226 J 6.10. Un sistema de dos fases de agua líquida y vapor de agua que se encuentra en equilibrio a 8 000 contiene volúmenes iguales de líquido y vapor. Si el volumen total 0.15 es el valor de la entalpía total y de la entropía total 6.11. Un recipiente contiene 1 kg de que existe como vapor y líquido en equilibrio a 1 000 Si el vapor ocupa 70 por ciento del volumen del recipiente, determine y para 1 kg de 6.12. Un recipiente a presión contiene agua líquida y vapor de agua en el equilibrio a La masa total del líquido y el vapor es 3 (Ib,). Si el volumen de vapor es 50 veces el del líquido, es la entalpía total del contenido del recipiente? 6.13. El vapor húmedo a tiene una densidad de 0.025 g Determine H y 6.14. Un recipiente con un volumen de 0.15 contiene vapor de agua saturado a el cual se enfría hasta Determine el volumen y la masa final del agua en el recipiente. 6.15. Se expande vapor húmedo a 1 100 a entalpía constante (al igual que en un proceso de estrangulamiento) hasta llegar a 101.33 donde su temperatura es de es la calidad del vapor en su estado inicial? 6.16. Se expande vapor a 2 100 y a entalpía constante (al igual que en un proceso de estrangulamiento) hasta 125 es la temperatura del vapor en su estado final y cuál es su cambio de entropía? Si el vapor de agua fuese un gas ideal, sería su temperatura final y su cambio de entropía? 6.17. Se tiene vapor en un estado inicial de 300 y que se expande a entalpía constante (al igual que en un proceso de estrangulamiento) hasta es la temperatura del vapor en su estado final y cuál es su cambio de entropía? Si el vapor de agua fuese un gas ideal, sería su temperatura final y su cambio de entropía? 6.18. Se tiene vapor sobrecalentado que se expande isentrópicamente desde 500 y 300 C hasta 50 es su entalpía 6.19. Un recipiente rígido contiene 0.014 de vapor de agua saturado en equilibrio con 0.021 de agua líquida saturada a 100 C. Se transfiere calor al recipiente hasta que desaparece una fase, quedando entonces sólo una de ellas. fase (líquido o vapor) es la que permanece y cuál es su temperatura y presión? calor se transfiere en el proceso?
244 CAPÍTULO 6. Propiedades temodinámicas de los fluidos 6.20. es la fracción molar de vapor de agua en el aire que se satura con agua a 25 C y 101.33 50 C y 101.33 6.21. recipiente con una capacidad de 0.25 se llena con vapor de agua saturado a 1 500 Si el recipiente se enfría hasta que el 25 por ciento del vapor se condensa, calor se transfiere y cuál es la presión final? 6.22. Un recipiente con una capacidad de 2 contiene 0.02 de agua líquida y 1.98 de vapor de agua a 101.33 calor debe añadirse al contenido del recipiente para que se evapore toda el agua líquida? 6.23. Un recipiente rígido de 0.4 se llena con vapor a 800 y calor debe transferirse del vapor para llevar su temperatura a 6.24. Un dispositivo contiene un kilogramo de vapor de agua a 800 y Si el vapor experimenta una expansión isotérmica y mecánicamente reversible hasta alcanzar 150 calor debe absorber? Si el vapor experimenta una expansión adiabática reversible hasta 150 es su temperatura y cuánto trabajo realiza? 6.25. Se tiene vapor de agua a 2 000 con una humedad del 6 por ciento. El vapor se calienta a presión constante hasta 575 C. calor se requiere por kilogramo? 6.26. Se tiene vapor de agua a 2 700 con una calidad de 0.90. El vapor experimenta una expansión adiabática reversible, en un proceso donde no hay flujo, hasta 400 Luego se añade calor a volumen constante hasta que se convierte en vapor saturado. Determine Q y W para el proceso. 6.27. Un conjunto contiene cuatro kilogramos de vapor de agua a 400 y 175 C. El vapor experimenta una compresión isotérmica y mecánicamente reversible hasta alcanzar tal presión final como para quedar saturado. Determine Q y W del proceso. 6.28. Un dispositivo contiene un kilogramo de agua a y 1 bar. El agua se comprime mediante un proceso isotérmico y mecánicamente reversible hasta una presión de 1 500 bar. Determine Q, W, AH y AS dados = 250 x y K = 45 X bar-. 6.29. Un dispositivo trabaja en un ciclo con vapor de agua como fluido de trabajo y ejecuta las siguientes etapas: El vapor a 550 y se calienta a volumen constante hasta alcanzar una presión de 800 A continuación el vapor se expande, reversible y adiabáticamente, hasta la temperatura inicial de Finalmente, el vapor se comprime mediante un proceso isotérmico y mecánicamente reversible, hasta llegar a la presión inicial de 550 es la eficiencia térmica del ciclo? 6.30. Un dispositivo trabaja en un ciclo con vapor como fluido de trabajo y lleva a cabo las etapas siguientes:
Problemas 245 El vapor saturado a se calienta a presión constante hasta A continuación el vapor se expande, adiabática y reversiblemente, hasta la temperatura inicial, que es de Finalmente, el vapor se comprime mediante un proceso isotérmico mecánicamente reversible hasta llegar al estado inicial. es la eficiencia térmica del ciclo? 6.31. En una turbina se expande vapor de agua de manera adiabática y reversible. El vapor entra a la turbina a 4 000 y qué presión de descarga el chorro de salida de la turbina es vapor saturado? qué presión de descarga el chorro de salida es vapor húmedo con una calidad de 6.32. Una turbina de vapor, que funciona reversible y adiabáticamente, toma vapor sobrecalentado a 2 000 y lo descarga a 50 es el sobrecalentamiento mínimo necesario para que no exista humedad en la salida? es la potencia de salida de la turbina si ésta trabaja bajo estas condiciones y la rapidez de flujo de vapor es de 5 kg 6.33. La prueba de operación de una turbina de vapor produce los siguientes resultados. Cuando se alimenta vapor a la turbina a 1350 y la salida de la turbina a 10 es vapor saturado. Si se supone que la operación es adiabática y que los cambios en las energías cinética y potencial son despreciables, determine la eficiencia de la turbina, esto es, el cociente del trabajo real efectuado por la turbina y el trabajo de una turbina que trabaja isentrópicamente a partir de las mismas condiciones iniciales hasta la misma presión de salida. 6.34. Una. turbina de vapor funciona adiabáticamente con una rapidez de flujo de vapor de 25 kg El vapor es alimentado a 1 300 y y se descarga a 40 y 100 C. Determine la potencia de salida de la turbina y la eficiencia de su operación en comparación con la de una turbina que trabaja de manera reversible y adiabática a partir de las mismas condiciones iniciales hasta la misma presión final. 6.35. Sean y los valores de la presión de vapor de saturación de un líquido puro a las temperaturas absolutas y Justifique la siguiente fórmula de interpolación para la estimación de la presión de vapor a un temperatura intermedia T: + 6.36. Suponiendo que la ecuación (6.54) es válida, deduzca de Edmister para la estimación del factor acéntrico: 3 7 1-e 1 donde es el punto normal de ebullición y está en (atm).
246 6. Propiedades termodinámicas de los fluidos 6.37. A partir de datos de tablas de vapor, estime los valores de las propiedades residuales y para el vapor a y 1 600 y compárelos con los obtenidos mediante una correlación generalizada adecuada. 6.38. A partir de los datos contenidos en las tablas de vapor: Determine valores numéricos de y para el líquido y vapor saturados a 1 000 valores deben ser iguales? Determine los valores numéricos de y a 1 000 Estos valores, ser iguales? c) Encuentre los valores numéricos de y para el vapor saturado a 1000 Estime un valor para a 1 000 y aplique la ecuación de Clapeyron para evaluar a 1 000 qué medida concuerda este resultado con el que aparece en las tablas de vapor? Aplique las correlaciones generalizadas apropiadas para la evaluación de y para el vapor saturado a 1 000 qué medida se comparan estos resultados con los obtenidos en c) 6.39. A partir de los datos de las tablas de vapor: Determine valores numéricos de y para el líquido y vapor saturados a 150 Estos valores, ser los mismos? Determine valores numéricos de y a Estos valores, ben ser iguales? c) Encuentre valores numéricos de y para el vapor saturado a d) Estime un valor de a y aplique la ecuación de Clapeyron para evaluar a qué medida concuerda este resultado con el valor que aparece en las tablas de vapor? Aplique las correlaciones generalizadas apropiadas para la evaluación de y del vapor saturado a qué medida se comparan estos resultados con los obtenidos en c)? 6.40. Estime y para el 1,3-butadieno a 500 Ky 21 bar mediante las correlaciones generalizadas que considere apropiadas. 6.41. Estime para el dióxido de carbono a 400 Ky 200 bar mediante el empleo de las correlaciones generalizadas que considere apropiadas. 6.42. Estime y para el dióxido de azufre a 450 K y 35 bar mediante el empleo de las correlaciones generalizadas que considere apropiadas. 6.43. Se tiene vapor que experimenta un cambio desde un estado inicial a y 3 000 hasta uno final de 140 C y 235 Determine y A partir de los datos de las tablas de vapor. 6) Mediante las ecuaciones para un gas ideal. c) Mediante correlaciones generalizadas apropiadas.
Problemas 247 6.44. Se tiene gas propano a 1 bar y El gas se comprime hasta llevarlo a un estado final de 135 bar y 195 C. Estime el volumen molar del propano en el estado final y los cambios de entalpía y entropía del proceso. En su estado inicial, el propano puede suponerse como un gas ideal. 6.45. Se tiene propano a 70 C y 101.33 El propano se comprime isotérmicamente hasta una presión de 1 500 Estime, para el proceso, AH y AS mediante el empleo de correlaciones generalizadas apropiadas. 6.46. Estime el volumen molar, la entalpía y la entropía del como vapor saturado y como líquido saturado a 380 K. La entalpía y la entropía se hacen igual a cero para el estado de gas ideal a 101.33 y 0 C. La presión de vapor del butadieno a 380 K es 1919.4 6.47. Estime el volumen molar, la entalpía y la entropía como vapor saturado y como líquido saturado a 370 K. La entropía y la entalpía se hacen igual a cero para el estado de gas ideal a 101.33 y 273.15 K. La presión de vapor del n-butano a 370 K es 1 435 6.48. Cinco moles de cloruro de calcio se combinan con 10 moles de agua líquida en un recipiente cerrado y rígido, de alta presión, con una capacidad de 750 El acetileno gaseoso se produce mediante la reacción + + Las condiciones iniciales son y 1 bar, y la reacción es completa. Para una temperatura final de determine: La presión final. El calor transferido. A el volumen molar del es 33.0 Ignore el efecto de cualquier gas presente al inicio en el tanque. 6.49. Se estrangula gas propileno a 127 C y 38 bar en un proceso de flujo en estado estable hasta alcanzar 1 bar, donde el gas puede suponerse como ideal. Estime la temperatura final del propileno y su cambio de entropía. 6.50. Se estrangula gas propano a 22 bar y 423 K en un proceso de flujo en estado estable hasta alcanzar una presión de 1 bar. Estime el cambio de entropía del propano provocado por este proceso. En su estado final, el propano puede suponerse como un gas ideal. 6.51. Se comprime isotérmicamente gas propano a 100 C desde una presión inicial de 1 bar hasta una presión final de 10 bar. Estime AH y AS. 6.52. Se comprime gas de sulfuro de hidrógeno desde un estado inicial de 400 K y 5 bar hasta un estado de 600 K y 25 bar. Estime AH y AS. 6.53. Se expande dióxido de carbono a entalpía constante (al igual que en un proceso de estrangulamiento) desde 1 600 y hasta 101.33 Estime AS del proceso. 6.54. Un flujo de gas de etileno a 250 C y 3 800 se expande isentrópicamente en una turbina hasta 120 Determine la temperatura del gas expandido y el trabajo producido si las propiedades del etileno se calculan por
248 CAPÍTULO 6. Propiedades termodinámicas de los fluidos Ecuaciones de un gas ideal. Correlaciones generalizadas apropiadas. 6.55. Un flujo de etano gaseoso a y 30 bar se expande isentrópicamente en una turbina hasta 2.6 bar. Determine la temperatura del gas expandido y el trabajo producido si las propiedades del etano se calculan por Ecuaciones de un gas ideal. Correlaciones generalizadas apropiadas. 6.56. Estime la temperatura final y el trabajo requerido cuando se comprime trópicamente 1 mol de n-butano en un proceso de flujo estable desde 1 bar y 50 C hasta 7.8 bar.