GUÍA DE TRABAJO

Tecnología Electromecánica

Código FDE 048

Versión 03

Fecha 2009-06-09

1. IDENTIFICACIÓN

Asignatura Gestión Energética Guía No. 6

Área Básicas de la Tecnología Nivel 5

Código GEE54 Pensum 11

Correquisito(s) Prerrequisito(s)

Créditos 4 TPS 5 TIS 10 TPT 80 TIT 160

TRABAJO INDEPENDIENTE TRABAJO PRESENCIAL

Trabajo Teórico

Trabajo Práctico

Trabajo Teórico

Trabajo Práctico

2. IDENTIFICACIÓN

COMPETENCIAS CONTENIDO TEMÁTICO INDICADOR DE LOGRO

Realizar balances energéticos para la gestión energética en los SEM’s de los procesos industriales, teniendo en cuenta los conceptos básicos de energía fluídica, térmica y las transformaciones energéticas de calor.

Termodinámica:

Conceptos fundamentales

Sustancias puras

Aplicar los conceptos básicos relacionados con las sustancias puras y el manejo de la tabla de propiedades en la solución de situaciones problema en diferentes contextos.

3. RECURSOS REQUERIDOS

– Notas de clase – Material bibliográfico: Textos descritos en bibliografía, biblioteca, internet – Docentes y estudiantes

4. PROCEDIMIENTO

COMPRENSIÓN DE CONCEPTOS

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1. ¿Cuál es la diferencia entre los enfoques clásico y estadístico de la

termodinámica?

2. Why does a bicyclist pick up speed on a downhill road even when he is not

pedaling? Does this violate the conservation of energy principle?

3. An office worker claims that a cup of cold coffee on his table warmed up to

80°C by picking up energy from the surrounding air, which is at 25°C. Is there

any truth to his claim? Does this process violate any thermodynamic laws?

4. La mayor parte de la energía que se genera en el motor de un automóvil se

transfiere al aire mediante el radiador debido al agua que circula. ¿El radiador

debe analizarse como un sistema cerrado o como un sistema abierto? Explique

5. ¿Cuál es la diferencia entre propiedad intensiva y extensiva?

6. A can of soft drink at room temperatura is put into the refrigerator so that it will

cool. Would you model the can of soft drink as a closed system or as an open

system? Explain.

7. What is a quasi-equilibrium process? What is its importance in engineering?

8. Considere un termómetro de alcohol y uno de mercurio que miden

exactamente 0°C en el punto de hielo y 100°C en el de vapor. La distancia

entre los dos puntos se divide en 100 partes iguales en ambos termómetros.

¿Cree que los termómetros brindarán exactamente la misma lectura a una

temperatura de, por ejemplo, 60°C? Explique.

9. Explain why some people experience nose bleeding and some others

experience shortness of breath at high elevations.

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10. Consider two identical fans, one at sea level and the other on top of a high mountain, running at identical speeds. How would you compare (a) the volume flow rates and (b) the mass flow rates of these two fans?

11. We commonly ignore the pressure variation with elevation for a gas inside a

storage tank. Why?

12. Is iced water a pure substance? Why?

13. What is the difference between saturated liquid and compressed liquid?

14. What is the difference between saturated vapor and superheated vapor?

15. ¿Es cierto que el agua hierve a mayores temperaturas a presiones más altas? Explique.

16. ¿Cuál es la diferencia entre el punto crítico y el punto triple?

17. A househusband is cooking beef stew for his family in a pan that is (a) uncovered, (b) covered with a light lid, and (c) covered with a heavy lid. For which case will the cooking time be the shortest? Why?

18. ¿En qué tipo de recipiente hierve un volumen dado de agua a temperatura más elevada: uno alto y angosto o uno chico y amplio? Explique.

19. ¿Es posible tener vapor de agua a -10°C?

20. How does the boiling process at supercritical pressures differ from the boiling process at subcritical pressures?

21. ¿La cantidad de calor absorbido, cuando 1 kg de agua líquida saturada hierve

a 100°C, debe ser igual a la cantidad de calor liberado cuando 1 kg del vapor de agua saturado condensa a 100°C?

22. Are the pressures listed in the tables absolute pressures or gage pressures?

23. For a system consisting of 1 kg of a two-phase, liquid–vapor mixture in equilibrium at a known temperature T and specific volume v, can the mass, in kg, of each phase be determined?

24. Is it true that it takes more energy to vaporize 1 kg of saturated liquid water at 100°C than it would at 120°C?

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25. Which process requires more energy: completely vaporizing 1 kg of saturated liquid water at 1 atm pressure or completely vaporizing 1 kg of saturated liquid water at 8 atm pressure?

26. In the absence of compressed liquid tables, how is the specific volume of a

compressed liquid at a given P and T determined?

27. What is quality? Does it have any meaning in the superheated vapor region?

28. ¿hfg cambia con la presión? ¿Cómo? PROBLEMAS DE APLICACIÓN - SITUACIONES EN CONTEXTO 29. Complete this table for H2O:

T, °C P, kPa h, kJ/kg x Phase description 200 0.7

140 1800 950 0.0

80 500 800 3162.2

30. Complete la siguiente tabla para el refrigerante 134a:

T, °C P, kPa v, m3/kg Descripción de fase -8 320 30 0.015

180 Vapor saturado 80 600

31. La temperatura en una olla de presión que se usa para cocinar al nivel del mar

es de 250°F. Determine la presión absoluta dentro de la olla en psia y en atm.

¿Se modifica la respuesta si el lugar estuviera en una posición más elevada?

Respuestas: 29.82 psia; 2.029 atm

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32. La presión atmosférica promedio en una ciudad (altura = 1610 m) es 83.4 kPa. Determine la temperatura a la que el agua en una cacerola descubierta hervirá en dicha ciudad. Respuesta: 94.42°C

33. Water in a 5-cm-deep pan is observed to boil at 98°C. At what temperature will

the water in a 40-cm-deep pan boil? Assume both pans are full of water. Respuesta: 99°C

34. Una olla cuyo diámetro interior es de 20 cm está llena con agua y cubierta con

una tapa de 4 kg. Si la presión atmosférica local es 101 kPa, determine la

temperatura a la cual el agua empezará a hervir cuando se caliente.

Respuesta: 100.1°C

35. Se calienta agua en un dispositivo vertical de cilindro –émbolo. El émbolo tiene una masa de 20 kg y un área de sección transversal de 100 cm2. Si la presión atmosférica local es 100 kPa, determine la temperatura a la que empezará a hervir el agua. Respuesta: 104.7°C

36. A rigid tank with a volume of 2.5 m3 contains 15 kg of saturated liquid–vapor

mixture of water at 75°C. Now the water is slowly heated. Determine the temperature at which the liquid in the tank is completely vaporized. Also, show the process on a T-v diagram with respect to saturation lines. Respuesta: 187°C

37. Un recipiente rígido contiene 2 kg de refrigerante 134a a 900 kPa y 80°C.

Determine el volumen del recipiente y la energía interna total. Respuestas: 0.0572 m3; 577.7 kJ

38. A 5-ft3 rigid tank contains 5 lbm of water at 20 psia. Determine (a) the

temperature, (b) the total enthalpy, and (c) the mass of each phase of water. Respuestas: (a) 227.9°F; (b) 1216.5 Btu; (c) mg = 0.245 lbm, mf = 4.755 lbm

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39. Un recipiente de 0.5 m3 contiene 10 kg de refrigerante 134a a -20°C. Determine: a) la presión, b) la energía interna total y c) el volumen ocupado por la fase líquida. Respuestas: a) 132.99 kPa; b) 889.5 kJ; c) 0.00487 m3

40. Superheated water vapor at 180 psia and 500°F is allowed to cool at constant

volume until the temperature drops to 250°F. At the final state, determine (a) the pressure, (b) the quality, and (c) the enthalpy. Also, show the process on a T-v diagram with respect to saturation lines. Respuestas: a) 29.82 psia; b) 0.219; c) 425.68 Btu/lbm

41. Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 50 L de agua líquida a 25°C y 300

kPa. Se transfiere calor al agua a presión constante hasta que todo el líquido se evapora.

a) ¿Cuál es la masa del agua? Respuesta: 49.85 kg b) ¿Cuál es la temperatura final? Respuesta: 133.55°C c) Determine el cambio en la entalpía total. Respuesta: 130.63 MJ d) Muestre el proceso en un diagrama T – v y un P – v respecto a las

líneas de saturación.

42. Determine the specific volume, internal energy, and enthalpy of compressed liquid water at 100°C and 15 MPa using the saturated liquid approximation. Compare these values to the ones obtained from the compressed liquid tables. Respuestas: v = 0.76%; u = 1%; h = 2.6%

43. Un tanque rígido de 15 ft3 contiene una mezcla saturada de refrigerante 134a a

50 psia. Si el líquido saturado ocupa 20% del volumen, determine la calidad y

la masa total del refrigerante en el tanque. Respuestas: 0.0505; 252.36 lbm

44. A piston–cylinder device contains 0.8 kg of steam at 300°C and 1 MPa. Steam is cooled at constant pressure until one-half of the mass condenses. (a) Show the process on a T-v diagram. (b) Find the final temperature. Respuesta: 179.91°C (c) Determine the volume change. Respuesta: -0.128 m3

45. Un tanque rígido contiene vapor de agua a 300°C y una presión desconocida.

Cuando el tanque se enfría a 180°C, el vapor empieza a condensarse. Estime

la presión inicial en el tanque. Respuesta: 1.325 MPa

46. A rigid tank initially contains 1.4-kg saturated liquid water at 200°C. At this state, 25 percent of the volume is occupied by water and the rest by air. Now heat is supplied to the water until the tank contains saturated vapor only. Determine (a) the volume of the tank, (b) the final temperature and pressure,

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and (c) the internal energy change of the water. Respuestas: (a) 0.0064792 m3; (b) 370.7°C, 21.208 MPa; (c) 1891.2 kJ

47. A piston–cylinder device initially contains steam at 3.5 MPa, superheated by 5°C. Now, steam loses heat to the surroundings and the piston moves down hitting a set of stops at which point the cylinder contains saturated liquid water. The cooling continues until the cylinder contains water at 200°C. Determine (a) the initial temperature, (b) the enthalpy change per unit mass of the steam by the time the piston first hits the stops, and (c) the final pressure and the quality (if mixture). Respuestas: (a) 247.6°C; (b) -1771.08 kJ/kg; (c) 1.5538 MPa, 0.0006

48. Steam is contained in a closed rigid container with a volumen of 1 m3. Initially, the pressure and temperature of the steam are 7 bar and 500°C, respectively. The temperature drops as a result of heat transfer to the surroundings. Determine the temperature at which condensation first occurs, in °C, and the fraction of the total mass that has condensed when the pressure reaches 0.5 bar. What is the volume, in m3, occupied by saturated liquid at the final state? Sketch the process on T–v and p–v diagrams. Respuestas: 139.4°C; 0.84 (84%); 0.002 m3

5. BIBLIOGRAFÍA

CENGEL, Yunus y BOLES, Michael. Termodinámica. 6 ed. Bogotá: McGraw – Hill.

2009, 1008 p.

WARK, Kenneth. Termodinámica. 6 ed. Madrid: McGraw – Hill. 2001, 923 p.

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POTTER, Merle C y SOMERTON, Craig W. Termodinámica para Ingenieros. Serie

Schawn. McGraw – Hill. 2004, 388 p.

SONNTAG, Richard E. y BORGNAKKE, Clauss. Introducción a la termodinámica

para ingeniería. México: Limusa – Wiley. 2006, 489 p.

ROLLE, Kurt C. Termodinámica. México: Pearson Educación. 2006, 112 p.

DIRECCIONES ELECTRÓNICAS

Ingrese a las direcciones:

http://www.thermofluids.net/ http://thermo.sdsu.edu/TEST-Espanol/testhome/Test/intro/intro.html http://thermo.sdsu.edu/TEST-Espanol/testhome/index.html http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2001762/index.html http://www.nrel.gov/ http://www.mundoenergia.com/content/view/520/243/ http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2001766/ http://cidta.usal.es/cidta/Virtuales/redes.htm http://web.mit.edu/ http://www2.ubu.es/ingelec/maqmot/ http://www.caloryfrio.com/dossiers/saberhacer-clima-bases.htm http://www.jsme.or.jp/English/ http://www.iea.org/ http://www.if.csic.es/

http://www.ior.org.uk/ http://www.imst.upv.es/index.htm http://gerenciayenergia.blogspot.com/

para profundizar sobre algunos conceptos de termodinámica.

Elaborado por: Gustavo Patiño Jaramillo Maria Vilma García Buitrago

Versión: 2.0

Fecha: Mayo 2011

Aprobado por: Francisco Gómez