Unidad2 Paso3 Colaborativo Grupo78

ECBTI TERMODINÁMICA 201015 Semestre I 2017

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

TRABAJO COLABORATIVO No. 2

PRESENTADO POR MARY CRUZ BARROS SANDRA DEL PILAR LINARES SANDRA MILENA ARDILA ARLEY JAVIER MOLINA VICTOR FERNEL HERRERA PRESENTADO A

Tutor DAVID ORLANDO PAEZ GRUPO TERMODINAMICA 212065_15

FECHA DE ENTREGA 03DE noviembre DE 2017

Trabajo Colaborativo Unidad I

ECBTI TERMODINÁMICA 201015 Semestre I 2017

Etapa I Estudiante

Realiza aporte (si o no)

MARY CRUZ BARROS

Si

SANDRA DEL PILAR LINARES

Si

SANDRA MILENA ARDILA

Si

ARLEY JAVIER MOLINA VICTOR FERNEL HERRERA

Si

1. Definir presión de vapor, calor especifico, calor latente, entalpia, energía interna y calidad (en el contexto de tablas de vapor)

Presión de vapor

es la presión de la fase gaseosa o vapor de un sólido o un líquido sobre la fase líquida, para una temperatura determinada, en la que la fase líquida y el vapor se encuentran en equilibrio dinámico; su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas. La presión de vapor es la presión de un sistema cuando el sólido o líquido se hallan en equilibrio con su vapor. Los vapores y los gases, tienden a ocupar el mayor volumen posible y ejercen así sobre las paredes de los recintos que los contienen, una presión también llamada, fuerza elástica o tensión. Para determinar un valor sobre esta presión se divide la fuerza total por la superficie en contacto.

Calor específico

El calor específico es la cantidad de calor que se necesita por unidades de masa para elevar la temperatura un grado Celsio. La relación entre calor y cambio de temperatura, se expresa normalmente en la forma que se muestra abajo, donde c es el calor especifico. Esta fórmula si se produce un cambio de fase, porque el calor añadido o sustraído durante el cambio de fase no cambia la temperatura: Q=cmΔT

Trabajo Colaborativo Unidad I

ECBTI TERMODINÁMICA 201015 Semestre I 2017 es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad, ésta se mide en varias escalas. En general, el valor del calor específico depende del valor de la temperatura inicial. Calor latente

Cuando un líquido pasa al estado gaseoso, toma calor latente; cuando un gas se condensa y pasa al estado líquido, cede calor latente. Durante esos procesos la temperatura no experimentará cambio alguno. es la energía requerida por una cantidad de sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización). Se debe tener en cuenta que esta energía en forma de calor se invierte para el cambio de fase y no para un aumento de la temperatura.

Entalpía

es la cantidad de energía de un sistema termodinámico que éste puede intercambiar con su entorno. Por ejemplo, en una reacción química a presión constante, el cambio de entalpía del sistema es el calor absorbido o desprendido en la reacción. Sirve para designar a un fenómeno mediante el cual la magnitud termodinámica de un cuerpo o elemento es igual a la suma que resulta de su propia energía interna más el resultado de su volumen por la presión exterior. Es una formula muy común de la física y de la termodinámica que permite conocer información sobre la reacción de diferentes elementos y fuerzas naturales en diferentes condiciones.

Energía interna

se define como la energía asociada con el movimiento aleatorio y desordenado de las moléculas. Está en una escala separada de la energía macroscópica ordenada, que se asocia con los objetos en movimiento. Se refiere a la energía microscópica invisible de la escala atómica y molecular.

Calidad

Calidad o título de vapor es el valor en porcentaje (%) de 0 a 100, de la cantidad de masa de gas con respecto a la masa total entre gas

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ECBTI TERMODINÁMICA 201015 Semestre I 2017 y liquido de un estado termodinámico.

2. Qué dice la primera ley de la termodinámica. Cómo es la expresión de balance de energía para un sistema cerrado y abierto? La primera ley de la termodinámica relaciona el trabajo y el calor transfiriendo intercambio en un sistema a través de una nueva variable termodinámica, la energía interna. Dicha energía ni se crea n se destruye, solo se transforma.

3. Qué es vapor saturado, liquido saturado, líquido comprimido y vapor sobrecalentado Vapor saturado

El "vapor saturado" es vapor a la temperatura de ebullición del líquido. Es el vapor que se desprende cuando el líquido hierve. Se obtiene en calderas de vapor.

Liquido saturado

Un líquido saturado es una disolución que no admite más cantidad de disolvente, cuando echamos azúcar en agua por ejemplo, podemos ir echando cucharadas, pero llega un momento en que el azúcar se precipita y se va al fondo, a partir de ahí, deja de ser disolución, ni siquiera es una mezcla homogénea.

Liquido comprimido

se denomina así a un líquido que está sometido a una presión mayor que la presión de equilibrio líquido.

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Vapor sobrecalentado

El "vapor sobrecalentado" es vapor de agua a una temperatura mayor que la del punto de ebullición. Parte del vapor saturado y se le somete a un recalentamiento con el que alcanza mayor temperatura. También se obtiene en las calderas de vapor pero que tienen secciones de recalentamiento para el vapor haciendo pasar el vapor que se obtiene en la ebullición por tubos expuestos a los gases calientes del proceso de combustión.

4. ¿Qué dice la regla de fases de Gibbs? Dar 2 ejemplos la llamada regla de las fases de Gibbs describe la relación algebraica que existe entre el número de grados de libertad (L) o variables independientes termodinámicas en un sistema cerrado en equilibrio ( como por ejemplo la presión o la temperatura), el número de fases en equilibrio (F) y el número de componentes químicos (C) del sistema. Esta regla establece la relación entre esos 3 números enteros dada por: L=C-F+2 Por ejemplo, en un gas puro, se tiene un solo componente y una sola fase, de modo que f = 2. Esto significa que para describir completamente al sistema, sólo tienen que conocerse dos de las tres variables P, V y T. La tercera variable puede calcularse a partir de las ecuaciones de estado. Si se considera el diagrama de fases del agua, en la región de la fase pura (sólido, líquido o gas), de nuevo se tienen dos grados de libertad, lo cual significa que la presión puede variarse independientemente de la temperatura. Sin embargo, a lo largo de las fronteras sólido-líquido, líquido-vapor o sólido-vapor, f= 1, en consecuencia, para cada valor de presión, sólo puede haber un valor específico de temperatura. Por último, el punto triple, tiene 3 fases y el resultado de la ecuación es cero, es decir, el sistema está fijado totalmente y no es posible variación alguna. A diferencia de lo anterior, cuando existe más de un componente, por ejemplo, una solución binaria y las fases líquido-vapor están en equilibrio, la regla de las fases queda de la siguiente forma: f = 4-2 = 2. Como la temperatura es fija, cualquiera de una de las

Trabajo Colaborativo Unidad I

ECBTI TERMODINÁMICA 201015 Semestre I 2017 variables presión, fracción molar en el líquido o fracción molar en el gas es suficiente para describir el sistema.

5. Qué es un proceso termodinámico adiabático, isocórico, isotérmico e isobárico? Adiabático

Se designa como proceso adiabático a aquel en el cual el sistema (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno. Un proceso adiabático que es además reversible se conoce como proceso isentrópico. El término adiabático hace referencia a elementos que impiden la transferencia de calor con el entorno. Una pared aislada se aproxima bastante a un límite adiabático. Otro ejemplo es la temperatura adiabática de una llama, que es la temperatura que podría alcanzar una llama si no hubiera pérdida de calor hacia el entorno. En climatización los procesos de humectación (aporte de vapor de agua) son adiabáticos, puesto que no hay transferencia de calor, a pesar de que se consiga variar la temperatura del aire y su humedad relativa.

Durante un proceso adiabático, la energía interna del fluido que realiza el trabajo debe necesariamente decrecer. Es decir, que en este tipo de procesos se tiene que Q = 0. Que de acuerdo con la primera ley de la termodinámica, tenemos que: Q= ∆U +W Como Q =0, entonces,

∆U = -W.

Esto quiere decir, que para un gas contenido en un cilindro provisto de un pistón, cuyas paredes no permiten la transferencia de calor al exterior, la variación de energía interna es igual al trabajo, ya sea realizado por el sistema o sobre el sistema.

Isocórico

también llamado proceso isométrico o isovolumétrico es un proceso

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ECBTI TERMODINÁMICA 201015 Semestre I 2017 termodinámico en el cual el volumen permanece constante. Esto implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen. Isotérmico

En este proceso la temperatura permanece constante. Como la energía interna de una gas ideal sólo es función de la temperatura, en un proceso isotérmico de un gas ideal la variación de la energía interna es cero (∆U= 0) La curva hiperbólica se conoce como isotérmica. De acuerdo con la primera ley de la termodinámica tenemos: Q = ∆U +W. Como ∆U = 0, entonces,

Q=W

Este proceso se observa cuando en un pistón que contiene un gas, después de suministrarle calor y producir cambios tanto en la presión como en el volumen su temperatura permanece constante.

Isobárico

Es un proceso termodinámico en el cual la presión permanece constante, en este proceso, como la presión se mantiene constante, se produce una variación en el volumen y por tanto el sistema realiza trabajo o se puede realizar trabajo sobre el sistema. De acuerdo con la primera ley de la termodinámica, tenemos: Q = ∆U +W Lo que quiere decir que en un proceso de tipo isobárico tanto el calor transferido como el trabajo realizado ocasionan una variación de la energía interna.

Etapa II 1. Estudiante 1 (VICTOR 530 °F HERRERA Estudiante 2 (MARY 540 °F

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ECBTI TERMODINÁMICA 201015 Semestre I 2017 CRUZ BARROS Estudiante 3 (SANDRA 550 °F MILENA ARDILA) Estudiante 4 (SANDRA 560 °F DEL PILAR LINARES Estudiante 5 (indicar el 570 °F nombre)

Emplear tablas de vapor para encontrar el volumen específico (en metros cúbicos sobre kilogramo). Para ello ingresar a http://www.tlv.com/global/LA/calculator/steam-tablepressure.html y especificar la presión en Kpa Estudiante 1 530 °F Un cilindro rígido contiene 2 lbm de líquido y 3 lbm de vapor de agua. Determine a. La calidad del sistema. X=(3lbm)/(3lbm+2lbm)=0.6 b. La presión a la cual coexiste el equilibrio Presión= 884.74 psi c. Volumen especifico, energía interna y entalpía promedio Volumen especifico promedio =((0.0318687 m3/kg)*(0.60)+(0.00132254 m3/kg)*(0.40))=0.019650236 m3/kg d. Volumen de líquido, volumen de vapor y volumen total del recipiente Masa liquida= 2lbm; 0.907 Kg Masa vapor= 3lbn; 1.3607 Kg

Volumen liquido= (0.907 Kg)*(0.001322 kg/m3)=0.001199 m3 Volumen vapor= (1.3607 Kg)*(0.0318687 kg/m3)=0.04363 m3 Volumen total= (0.001199 m3)+( 0.04363 m3)= 0.0445627 m3

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Estudiante 2 540 °F Un cilindro rígido contiene 2 lbm de líquido y 3 lbm de vapor de agua. Determine a. La calidad del sistema b. La presión a la cual coexiste el equilibrio c. Volumen especifico, energía interna y entalpía promedio d. Volumen de líquido, volumen de vapor y volumen total del recipiente Con la información de masa de gas y liquido en el volumen se puede determinar la calidad,

Según la relación de calidad anteriormente nombrada se puede determinar las propiedades para la mezcla de líquido y gas, de la siguiente manera.

La presión se determinó utilizando la tabla A4 del libro de Cengel, buscando para vapor saturado a 280 °C se encontraron las siguientes informaciones:

Obtenido los siguientes resultados

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Estudiante 3 550 °F Un cilindro rígido contiene 2 lbm de líquido y 3 lbm de vapor de agua. Determine

a. La calidad del sistema

b. La presión a la cual coexiste el equilibrio 

Tabla de temperatura (agua saturada)

 Interpolación Ecuación punto pendiente

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c. Volumen especifico, energía interna y entalpía promedio Tabla de temperatura (agua saturada)

Interpolación Ecuación punto pendiente

Ecuación punto pendiente

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Tabla de temperatura (agua saturada)

Ecuación punto pendiente

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ECBTI TERMODINÁMICA 201015 Semestre I 2017 Ecuación punto pendiente

Tabla de temperatura (agua saturada)

Ecuación punto pendiente

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d. Volumen de líquido, volumen de vapor y volumen total del recipiente

Estudiante 4 560 °F Un cilindro rígido contiene 2 lbm de líquido y 3 lbm de vapor de agua. Determine a. La calidad del sistema b. La presión a la cual coexiste el equilibrio c. Volumen especifico, energía interna y entalpía promedio d. Volumen de líquido, volumen de vapor y volumen total del recipiente

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ECBTI TERMODINÁMICA 201015 Semestre I 2017 Un cilindro rígido contiene 2 lbm de líquido y 3 lbm de vapor de agua. Determine T=560°F

e. La calidad del sistema

f. La presión a la cual coexiste el equilibrio 

Tabla de temperatura (agua saturada)

g. Volumen especifico, energía interna y entalpía promedio Tabla de temperatura (agua saturada)

h. Volumen de líquido, volumen de vapor y volumen total del recipiente

Vf=mf.vf-vf= (2lmb) (0.022070 ft3/lmb) Vf=0.04414 ft3 volumen de liquido

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Vg= mg.vg-vg= (3lmb)( 0,3877 ft3/lmb) Vg= 1.1631 volumen de vapor

2. Cada estudiante debe seleccionar una condición para el H2O. Llenar los espacios argumentando su elección y mostrando los cálculos. Emplear las tablas termodinámicas Termodinamicas-Cengel-pdf T °C

Estudiante nombre)

1(indicar

el 99.61

Estudiante 2 (indicar el 140 nombre)

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https://es.pdfcoke.com/doc/236084188/Tablas-

P, Kpa

h, kJ/kg X (entalpia) (calida d)

Descripción de la fase

100

22.57

0.3

Agua saturada

361,53

1925

0.623

El estado es una transición de fase de líquido a gas de vapor de agua a 140°C y una presión de saturación de 361.5 kPa, la calidad nos dice que existe 62.3% de masa de gas en el

ECBTI TERMODINÁMICA 201015 Semestre I 2017 recipiente. Estudiante 3 (SANDRA 138,3 MILENA ARDILA) 64

345

573,25

0

Solo liquido

Estudiante 4 (indicar el 400 nombre)

1200

373.84

0.3

Liquido comprimido

Estudiante 5 (indicar el 160 nombre)

5000

Cálculos: Sandra Milena Ardila 

Estado de saturación liquido/vapor



Interpolación Ecuación punto pendiente

Ecuación punto pendiente

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hay

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La fase consiste en líquido de agua 3. Cada estudiante seleccionará un ejercicio y lo desarrollará. Deberá informar en el foro el ejercicio seleccionado. Al final revisará y entenderá cómo solucionar todos los ejercicios Estudiante 1 (Victor Herrera) a. Se calientan 2kg de oxígeno, de 30 a 320 °C en un recipiente. Determine la transferencia de calor que se requiere cuando eso se hace en un proceso a) a volumen constante, b) isobárico. M= 2kg T1= 30°C; 303 K T2= 320°C; 593 K C= 918 J/Kg K E= (2 kg)*( 918 J/Kg K)*(593 K- 303K)=532440 J

Estudiante 2 (Sandra Del Pilar Linares) b. Un dispositivo cilindro-émbolo está inicialmente a 500 kPa y 27 °C y tiene integrado un sistema de agitación que le transfiere 20kJ/kg de energía en forma de trabajo. Durante este proceso se transfiere calor para mantener constante la temperatura del aire, y al mismo tiempo se triplica el volumen del gas. Calcule la cantidad requerida de transferencia de calor, en kJ/kg.

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ECBTI TERMODINÁMICA 201015 Semestre I 2017 Primera ley de la Termodinámica

Estudiante 3 (SANDRA MILENA ARDILA) c. Gas ideal en un dispositivo cilindro-émbolo sufre un proceso de compresión isotérmica que comienza con una presión inicial y un volumen inicial de 200 kPa y 0.8 m3, respectivamente. Durante el proceso, hay una transferencia de calor de 120 kJ del gas ideal al entorno. Determine el volumen y la presión al final del proceso.

DATOS Estado Inicial

De la primera ley de la termodinámica

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Estado Final

ECBTI TERMODINÁMICA 201015 Semestre I 2017 Puesto que el cambio en la energía interna depende de la temperatura, en un proceso isotérmico (T constante) la energía interna será nula

Por definición

Puesto que la presión y el volumen son variables, entonces: 

Ecuación de estado

Pero si T es constante, nRT también lo será, así:

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Estudiante 4 (indicar nombre) d. Un sistema cerrado se pone en contacto con una superficie que le transfiere 45 kJ de calor. Adicionalmente el sistema cuenta con un agitador que le agrega 78 kJ de energía y sufre una expansión a presión constante a 100 Kpa cambiando su volumen 2 m 3. Determine el cambio de energía interna del sistema. Estudiante 5 (Mary Cruz Barros) e. Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene en un principio 2.5 kg de gas de nitrógeno a 300 kPa y 180 °C. Ahora se expande isotérmicamente el nitrógeno, hasta una presión de 120 kPa. Determine el trabajo de la frontera, efectuado durante este proceso.

Primera ley de la Termodinámica

Expansión isotérmica

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ECBTI TERMODINÁMICA 201015 Semestre I 2017 Para los ejercicio 4 a 5 indicar Estudiante

Realiza aporte (si o no)

MARY CRUZ BARROS

Si

SANDRA DEL PILAR LINARES

Si

SANDRA MILENA ARDILA

SI

ARLEY JAVIER MOLINA VICTOR FERNEL HERRERA

Si

4. En un compresor se comprime vapor de agua a 1.2 MPa y 300 °C a 5 MPa y 800 °C a razón de 2.5 kg/s. Si se pierde calor de la turbina a razón de 25 kJ/s y hay un aumento de velocidad de 40 m/s entre entrada y salida durante el proceso de compresión, determine la potencia requerida para el compresor. ENTRADA



SALIDA

BALANCE DE ENERGIA

Si el proceso era estacionario

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Primera ley termodinámica para volúmenes de control

Utilizando la tabla A4 de libro de termodinámica de Cengel, se tiene,

La potencia del compresor debe ser de por lo menos 4.7 kW 5. Entre las dos turbinas, que utilizan vapor de agua con un flujo de 7 kg/s, se coloca un intercambiador de calor, que precalienta la alimentación de la turbina B gracias a la adición de 800 kW de calor. Si la calidad a las salidas de las turbinas es del 90%, halle la temperatura del estado 3 y la potencia de la turbina B

Figura 1. Esquema del problema 4 DATOS Estado 1

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Estado 4

Estado 3

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Balance de masa

Balance de energía

Considerando la misma salida de presión en la turbina 1 Así

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Etapa III (Actividad individual) Se debe realizar el ejercicio de forma individual empleando Excel de acuerdo a las indicaciones de la guía, ese archivo debe adjuntarse junto con la solución de este documento.

REFERENTES BIBLIOGRÁFICOS Se debe referenciar todas las páginas, libros, artículos que se consulten para el desarrollo de la actividad, recuerden utilizar las normas APA para ello. http://www.bidi.uam.mx/index.php?option=com_content&view=article&id=62:citarrecursos-electronicos-normas-apa&catid=38:como-citar-recursos&Itemid=65#2 http://datateca.unad.edu.co/contenidos/301127/Manual_de_Normas_APA.pdf Para el desarrollo y la evaluación del trabajo colaborativo se tiene en cuenta lo establecido en el Artículo 19 de la Resolución 6808 del 19 de agosto de 2014 "Por el cual se emiten los referentes y lineamientos para el desarrollo del trabajo colaborativo y el acompañamiento docente y se dictan otras disposiciones", donde se establece: Artículo 19. Evaluación del trabajo colaborativo. “Para aquellos estudiantes que ingresan faltando dos o tres días para el cierre de la actividad, el docente no tendrá en cuenta estas participaciones para la asignación de la calificación en respeto del cumplimiento de aquellos estudiantes que sí lo han hecho” … “En aquellos grupos colaborativos donde la participación de algunos estudiantes sea mínima o nula, el docente realizará la calificación de su trabajo colaborativo de forma individual, binas o tríos sin que la ausencia de los compañeros afecte su calificación final.”

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