TALLER DE FISICOQUIMICA IND-AMB TERMODINAMICA

TABLAS DE PROPIEDADES

1. Complete la siguiente tabla para el agua:

T, °C P, kPa h, KJ/kg x Descripción de fase 200 0,7

140 1800 950 0,0 80 500 800 3161,7

150 5000

2. Complete la siguiente tabla de propiedades para el agua:

T, °C P, kPa u, kJ/kg Descripción de fase 400 1825

220 Vapor saturado 190 2000 4000 3040

3. Complete la siguiente tabla para el agua:

P, kPa T, °C x v, m3/kg u, kJ/kg h, kJ/kg Descripción de fase

200 852,4 150 1000 800 300 5000 200 300 0,85

4. Un dispositivo cilindro-émbolo contiene 0,1 m3 de agua líquida y 0,9 m3 de vapor de agua en equilibrio a 800 kPa. El sistema se calienta hasta alcanzar una temperatura de 350ºC. Determine la temperatura inicial, la masa total de agua y el volumen final.

5. Un sistema cerrado consiste en 1 kg de agua en fase líquida y en condiciones de saturación a 20 ºC. Determine la variación de energía interna y entalpía que experimenta dicho sistema cuando evoluciona hasta un estado de 250 ºC y 0,02 Mpa.

6. Una mezcla bifásica líquido-vapor de H2O tiene una temperatura de 300 ºC y un título del 75%. La mezcla ocupa un volumen de 0,05 m3. Determine las masas de líquido y vapor saturado presentes.

7. Un depósito rígido de 1 m3 contiene aire a 25 ºC y 500 kPa y está conectado con una

válvula a otro depósito con 5 kg de aire a 35 ºC y 200 kPa. Se abre la válvula y cuando se alcanza el equilibrio térmico la temperatura es de 20 ºC. Calcule el volumen del segundo depósito y la presión de equilibrio.

8. El aire en una llanta de automóvil con un volumen de 0,015 m3 se encuentra a 30 ºC y

150 kPa. Determine la cantidad de aire que debe agregarse para elevar la presión al valor recomendado de 200 kPa. Suponga que la temperatura y el volumen permanecen constantes.

9. Un recipiente rígido con un volumen de 0,170 m3 se llena inicialmente con vapor a 180

kPa, a 340 °C. El recipiente se enfría a 90 °C.

a. A que temperatura comienza a ocurrir el cambio de fase? b. Cuál es la presión final? c. Qué fracción de la masa del agua es líquida en el estado final? d. Calcule el trabajo realizado durante el proceso de enfriamiento

PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

1. Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene, al principio, 0.07 m3 de gas de nitrógeno a 130 kPa y 120 °C. Entonces, el nitrógeno se expande en un proceso politrópico hasta un estado de 100 kPa y 100 °C. Determine el trabajo de la frontera efectuado durante este proceso.

2. Se calientan 5 kg de vapor de agua saturado a 300 kPa, a presión constante, hasta

que la temperatura llega a 200 °C. Calcule el trabajo efectuado por el vapor de agua durante este proceso.

3. Una masa de 2.4 kg de aire a 150 kPa y 12 °C está dentro de un dispositico de

cilindro-émbolo hermético y sin fricción. A continuación se comprime el aire hasta una presión final de 600 kPa. Durante el proceso, se retira calor del aire de tal modo que permanece constante la temperatura en el interior del cilindro. Calcule el trabajo consumido durante este proceso.

4. El dióxido de carbono contenido en un dispositivo de cilindro-émbolo se comprime de

0.3 a 0.1 m3. Durante el proceso, la presión y el volumen se relacionan con P=aV-2, donde a=8 kPa.m6. Calcule el trabajo efectuado sobre el gas durante este proceso.

5. Se condensa isotérmicamente vapor saturado a 200 °C hasta líquido saturado, en un

dispositivo de cilindro-émbolo. Calcule el calor transferido y el trabajo efectuado durante este proceso, en kJ/kg.

6. Un dispositivo aislado de cilindro-émbolo contiene 5 L de agua líquida saturada a una presión constante de 175 kPa. Una rueda de paletas agita el agua, mientras que pasa una corriente de 8 A durante 45 min, por una resistencia colocada en el agua. Si se evapora la mitad del líquido durante este proceso a presión constante, y el trabajo de la rueda de paletas es 400 kJ, determine el voltaje de suministro.

7. Un alumno vive en un dormitorio de 4m*6m*6m, y enciende su ventilador de 150 W

antes de salir de la habitación, por la mañana en un día de verano, esperando que al regresar el recinto esté más frío. Suponiendo que todas las puertas y ventanas estén herméticamente cerradas, y no tomando en cuenta transferencias de calor por las paredes y ventanas, determine la temperatura en el recinto cuando regrese el estudiante, 10 h después. Use los valores de calor específico a temperatura ambiente, y suponga que las condiciones de la habitación eran 100 kPa y 15 °C, cuando salió.

8. Un sistema cerrado contiene 2 kg de aire, y en un proceso pasa de 600 kPa y 200 °C

hasta 80 kPa. Determine el volumen inicial del sistema, el trabajo efectuado y el calor transferido durante el proceso.

9. Una masa de 15 kg de aire, en un dispositivo de cilindro-émbolo, se calienta de 25 a

77 °C, haciendo pasar corriente por un calentador de resistencia en el interior del cilindro. La presión dentro del cilindro se mantiene constante en 300 kPa durante el proceso, y hay una pérdida de calor de 60 kJ. Determine los kWh de energía eléctrica suministrada.

10.Un recipiente rígido bien aislado contiene 3 kg de agua líquida saturada a 40 °C. El

recipiente también contiene una resistencia eléctrica que pasa 10 amperes cuando se le aplican 50 volts. Determine la temperatura final en el recipiente, cuandola resistencia ha estado trabajando durante 30 minutos.

11.De manera estable entra vapor a 5 MPa y 500 °C a una tobera con una velocidad de

80 m/s, y sale a 2 MPa y 400 °C. El área de entrada de la tobera es de 50 cm2 y pierde calor a una tasa de 90 KJ/s. Determine a) la tasa de flujo másico del vapor, b) la velocidad de salida del vapor y c) el área de salida de la tobera.

12.Entra gas nitrógeno a 60 KPa y 7 °C de manera estable a un difusor adiabático con una velocidad de 200 m/s, y sale a 85 KPa y 22 °C. Determine la velocidad de salida del nitrógeno y b) la razón de las áreas de entrada y salida A1/A2.

13.Fluye vapor de manera estable a través de una turbina adiabática. Las condiciones de entrada del vapor son 10 MPa, 450 °C y 80 m/s, y las de salida son 10 kPa, 92% de calidad y 50 m/s. La tasa de flujo másico del vapor es 12 kg/s. Determine a) el cambio de la energía cinética b) la salida de potencia y c) el área de la entrada de la turbina.

14.Una turbina de vapor se diseña para que entregue una potencia de 9 MW cuando la

rapidez del flujo másico es igual a 17 kg/s. A la entrada el estado se encuentra a 3MPa, 450 °C y 200 m/s; a la salida el estado es de vapor saturado a 0,5 MPa y 80 m/s. Cuál es el calor transferido en esta turbina?

15.Se necesita un compresor que proporcione aire a 5 atm y 200 °C para una planta estacionaria de potencia. El aire entra a 1 atm y 20 °C. A la salida la velocidad es de 25 m/s. Evalúe el trabajo por unidad de masa requerido por el compresor adiabático.

16.Entra dióxido de carbono a un compresor adiabático a 100 kPa y 300 K a una tasa de

0.5 kg/s, y sale a 600 kPa y 450K. Sin tomar en cuenta los cambios en energía cinética, determine a) la tasa de flujo volumétrico del dióxido de carbono a la entrada del compresor y b) la entrada de potencia al compresor.

17.Una bomba se emplea para tomar agua del lago cercano a razón de 1 m3/s y elevar su presión de 120 a 700 kPa, con el fin de alimentar la tubería principal de los bomberos. Si la bomba es adiabática y sin fricción, cuál es la potencia necesaria para impulsarla?

18.Un fluido pasa por una válvula. Las condiciones de entrada son: 1,0 MPa y 400 °C; a la salida la presión es de 0,3 MPa. Determine la temperatura a la salida para un fluido constituido por a) vapor de agua y b) aire.

19.Una corriente de agua caliente a 80 °C entra a una cámara de mezcla con una tasa de flujo másico de 0.5 kg/s donde se mezcla con una corriente de agua fría 20 °C. Si desea que la mezcla salga de la cámara a 42 °C, determine la tasa de flujo másico de la corriente de agua fría. Suponga que todas las corrientes están a la misma presión de 250 kPa.

20.Entra vapor al condensador de una central termoeléctrica a 20 kPa y una calidad del 95% con una tasa de flujo másico de 20000 kg/h. Se va a enfriar con el agua de un río cercano, que circulará por los tubos dentro del condensador. Para evitar la contaminación térmica, no se permite que el agua del río sufra un aumento de temperatura mayor a 10 °C. Si el vapor va a salir del condensador como líquido saturado a 20 kPa, determine la tasa de flujo másico del agua de enfriamiento requerida.

21.Un intercambiador de calor de doble tubo de pared delgada que trabaja en contracorriente, enfría aceite (Cp = 2,20 kJ/kg.°C) de 150 °C a 40 °C a una tasa de 2 kg/s. El intercambiador usa agua (Cp = 4,18 kJ/kg.°C) que entra a 22 °C a una tasa de 1,5 kg/s. Determine la tasa de transferencia de calor y la temperatura de salida del agua.

BIBLIOGRAFIA

Cengel, Y; Boles, M. Termodinámica. Mc Graw Hill, México, 2003. Howell, J; Buckius, R. Principios de termodinámica para ingenieros. McGraw Hill, México, 1990.