ej termodinamica

Analiza toda la información que puedas conseguir sobre estos temas hasta que la comprendas perfectamente. Una vez comprendida contesta con tus propias palabras. 1

¿El agua congelada es una sustancia pura? ¿Por qué?

2

¿Cuál es la diferencia entre líquido saturado y líquido comprimido?

3

¿Cuál es la diferencia entre vapor saturado y vapor sobrecalentado?

4 ¿Hay alguna diferencia entre las propiedades intensivas del vapor saturado a una temperatura determinada y el vapor de una mezcla saturada a la misma temperatura?__________ Porque? 5 ¿Hay alguna diferencia entre las propiedades intensivas del líquido saturado a una temperatura dada y las del líquido de una mezcla saturada a la misma temperatura? __________ Porque? 6 Si la presión de una sustancia se incrementa durante un proceso de ebullición, ¿la temperatura también aumentará o permanecerá constante? ¿Por qué? 7 ¿Por qué la temperatura y la* presión son propiedades dependientes en la región de mezcla saturada? 8

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

9 ¿La cantidad de calor absorbido cuando 1 kg de agua líquida saturada hierve a 100°C tiene que ser igual a la cantidad de calor liberado cuando se condensa 1 kg del vapor de agua saturado a 100°C? ?__________ Porque? 10

¿Cuál es el significado físico de hfg ?¿Es posible obtenerlo a partir de hf y hg? ¿Cómo?

11

¿Qué es la calidad? ¿Tiene algún significado en la región de vapor sobrecalentado?

12 ¿Qué proceso requiere más energía: evaporar por completo 1 kg de agua líquida saturada a 1 atm de presión o evaporar 1 kg de agua Líquida saturada a una presión de 8 atm? 13.- Difine trabajo y calor con sus unidades en el sistema internacional y en el sistema inglés. 14.- a) Exprese en unidades del SI: (b) energía; (c) trabajo; (d) volumen; (e) fuerza; (f) velocidad; (g)masa; (h) potencia; (i) corriente eléctrica; (j) cantidad de sustancia; (k) temperatura; () longitud.

Ejemplo resuelto como guía. PROBLEMAS 1 Un recipiente rígido de 1.8 m3 contiene vapor a 220°C. Un tercio del volumen está en la fase líquida y el resto en forma de vapor. Determine a) la presión del vapor, b) la calidad de la mezcla saturada y c) la densidad de la mezcla. Datos:

V = 1.8 m3

Incognitas:

P de saturación =

T = 220 °C

1/3V = liquido x=

2/3V = vapor ρ=

CUIDADO: La calidad x no es 2/3 del volumen total, pues x se relaciona con la masa y no con el volumen. Coexisten 2 fases en equilibrio así que tenemos una mezcla saturada liquido-vapor. La presión del vapor es la presión de saturación en el tanque a esa temperatura dada; por lo que, el primer paso; inciso: a) consiste en buscar en las tablas de vapor de agua la presión de saturación a 220°C y encontramos en la tabla A-4 que son: P=2319.6 kPa. b) Para determinar la calidad de la mezcla, tenemos que conocer la masa total y la masa del gas, con la formula

x= mg/mt, para lo cual es necesario calcular también la masa del líquido que

compone la mezcla. Para ello usaremos la fórmula m=V/v; donde v (volumen especifico) se obtiene directamente de las tablas de vapor. Para 220°C Masa del líquido:

vf = 0.001190 m3/kg

(tabla A-4)

mf = Vf/vf = (1/3).(1.8) m3/0.001190 m3/kg = 504.2 kg Masa del vapor

vg = 0.086094 m3/kg

(tabla A-4)

mg = Vg/vg = (2/3)(1.8)m3/0.086094 m3/kg = 13.94 kg Masa total

mt = mf + mg = 518.14 kg

Calidad de la mezla

x = mg/mt = 13.94/518.14 = 0.0269

Para conocer la densidad media necesitamos conocer el volumen específico promedio (average o av):

vav = vf + x(vg – vf) = 0.001190 m3/kg + 0.0269(0.086094 m3/kg - 0.001190 m3/kg = 0.003474 m3/kg Finalmente la densidad se obtiene:

ρ= 1/vav = 1/0.003474 = 287.8 kg/m3

Ejercicios para que resuelvas. 1. Dos matraces vacíos de igual volumen se conectan por medio de un tubo de volumen despreciable. Uno de los matraces se introduce en un baño de temperatura constante a 200 K y el otro en un baño a 300 K, y a continuación se inyecta en el sistema 1 mol de gas ideal. Calcule el número final de moles de gas en cada matraz. 2.- Un cilindro cerrado con un pistón sin rozamiento contiene 3,00 moles de He gaseoso a P = 1,00 atm y está introducido en un baño grande a la temperatura constante de 400 K. La presión se aumenta reversiblemente hasta 5,00 atm. Calcule W, Q y ∆U para este proceso. Es una excelente aproximación considerar el helio como un gas perfecto; dado que T es constante y ∆U es cero. 3 - Un globo esférico con un diámetro de 6 m se llena con helio a 20°C y 200 kPa. Determina el número de moles y la masa del helio en el globo. 4.- La presión en una llanta de automóvil depende de la temperatura del aire en aquélla: cuando la temperatura del aire es de 25 °C, la presión manométrica es de 210 kPa. Si el volumen de la llanta es 0.025 m3, determine el aumento de presión en ésta cuando la temperatura del aire aumenta a 50°C. También, determine la cantidad de aire que debe sacarse para regresar la presión a su valor original. Suponga que la presión atmosférica es 100 kPa. Recuerda que para la ecuación de gas ideal siempre se usa la presión absoluta. 5.- Un recipiente de 1 m3 que contiene aire a 25 °C y 500 kPa se conecta por medio de una válvula a otro recipiente que contiene 5 kg de aire a 35°C y 200 kPa. En seguida, se abre la válvula y se deja que todo el sistema alcance el equilibrio térmico con el entorno, el cual se halla a 20°C. Determine el volumen del segundo recipiente y la presión final de equilibrio del aire. 6.- Determine el volumen específico del vapor de agua sobrecalentado a 10 MPa y 425°C, usando: a) la ecuación de gas ideal, b) la gráfica de compresibilidad generalizada y c) las tablas de vapor. Determine también el error en los dos primeros casos. 7.- Determine el volumen específico del vapor del refrigerante 134a a 0.9 MPa y 75°C con base en a) la ecuación de gas ideal, b) la gráfica de compresibilidad generalizada y c) los datos que ofrecen las tablas. También, determine el error en los dos primeros casos. 8.-Un tanque de 20 m3 contiene nitrógeno a 25 oC 800 KPa. Se deja escapar un poco de nitrógeno hasta que la presión disminuye a 600 kPa. Si la temperatura es 20 oC en ese punto. Determina la cantidad de nitrógeno que ha escapado. 9.- ¿Cuál es el porcentaje de error en que se incurre al tratar al dióxido de carbono a 3 MPa y 10°C como un gas ideal?

10.- Un dispositivo que consta de cilindro-émbolo contiene inicialmente 0.2 kg de vapor a 200 kPa y 300°C. Ahora, se deja enfriar el vapor hasta que llega a 150°C. Determine el cambio de volumen del cilindro durante este proceso por medio del factor de compresibilidad y compare el resultado con el valor real 11.- Un dispositivo aislado compuesto de cilindro-émbolo contiene 5 L de agua líquida saturada a una presión constante de 175 kPa. El agua es agitada con una rueda de paletas mientras fluye una corriente de 8 A durante 45 minutos por una resistencia colocada en el agua. Si la mitad del líquido se evapora durante este proceso a presión constante y el trabajo de la rueda de paletas equivale a 400 kJ, determine el voltaje de la fuente. También, muestre el proceso en un diagrama P-v con respecto a las líneas de saturación. Respuesta: 224 V

12- Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene inicialmente vapor a 1 MPa, 450°C y 2.5 m3. Se deja enfriar el vapor a presión constante hasta que empieza a condensarse. Muestre el proceso en un diagrama T-V con respecto a las líneas de saturación y determine a) la masa del vapor, b) la temperatura final y c) la cantidad de calor transferido. Respuestas: a) 7.565 Kg

b) 179.9

c) 4495 kJ

13.- Un recipiente equipado con un calentador de resistencia y un mezclador se llena inicialmente con 3.6 kg de vapor de agua saturado a 120°C. Al encender el calentador y el mezclador, el vapor se comprime y hay pérdida de calor hacia el aire circundante. Al final del proceso, la temperatura y la presión del vapor en el recipiente se miden como 300°C y 0.5 MPa. La transferencia neta de energía al vapor durante este proceso es: a) 274 kJ

b)914kJ

c)1213kJ

d)988kJ

e)1291k

14.- Un dispositivo que consta de cilindro-émbolo contiene inicialmente 0.5 m3 de gas nitrógeno a 400 kPa y 27°C. Dentro del dispositivo se enciende un calentador eléctrico con lo cual pasa una corriente de 2 A durante 5 minutos desde una fuente de 120 V. El nitrógeno se expande a presión constante y ocurre una pérdida de calor de 2800 J durante el proceso. El cp del nitrógeno se toma de la tabla A-2ª cp = 1.039 kj/kg K a) El trabajo eléctrico realizado sobre el nitrógeno es:

a). 85 kJ

b) 62 kJ c).72 kJ

d). 7.2 kJ

e). 6.1 kJ.

b) La masa del nitrógeno es:

a). 2.245 kg

b) 24.94 kg c).2.494 kg

d). 17.25 kg

c) La temperatura final del nitrógeno es:

a). 2.7 oC b) 29.7 oC c).56.7 oC

d). 5.67 oC

e). 27 oC

e). 22.45 kg.