Luis Adad González Fragoso Examen tercero termodinámica Instrucciones: Responder cada pregunta con sus propias palabras Al entregarlo responderás responderás a cualquiera de las preguntas para hacer valida la recepcin del mismo! El documento deberá realizarse en digital " entregarlo de manera impresa! Los traba#os repetidos serán anulados 1. $n astronauta de %& 'g pesa ()& * en la báscula de ba+o antes de
entrar en un cohete para la luna! $tilizando una báscula de muelle en la Luna donde g,-!(% m.s/ m.s/ 0sigue pesando ()& *1 0ha variado su masa1 RESPUESTA
2a 2a no pesa lo mismo mismo debido a que la gravedad gravedad cambi " la masa no3 debido a que es el mismo su#eto " no pudo haber variado su masa durante el via#e3 as4 que partiendo de que 5,mg3 donde: 657 es el peso8 6m7 es la masa " 6g7 la gravedad! Entonces una vez que está en la luna su peso es: W= (70 kg) (1.67 m/s2)= 116.9 N. Y como ya mec!o" s# masa $e%maece !g#a&' &o #e se mo!*ca es &a g%a+ea' e moo #e a& ,a-e% meos g%a+ea e& c#e%$o es ms &!+!ao
/! Explica la di9erencia di9erencia entre entre presin presin absoluta absoluta " presin manomtrica manomtrica RESPUESTA
La presin Absoluta ; Pa-s.< se re=ere a la presin real medida en un determinada posicin3 mientras que la presin >anomtrica (Pma.< se entiende como una di9erencia entre la presin absoluta " la presin atmos9rica! ?or lo tanto considero que la di9erencia principal entre stas %a!ca e #e &a Pa-s. se m!e %es$eco a& +aco y &a Pma se m!e %es$eco a &a P%es! amos"%!ca' &a c#a& !sm!#ye e %e&ac! a& a#meo e &a a&!# e& c#e%$o a me!%. me!%. 3e moo #e &a Pa-s. se #!&!4a $a%a e& c&c#&o e &a Pma. e-!o a #e oos &os s!semas se ca&!-%a a ce%o e &a amse%a.
@! 0A qu temperatura temperatura en elvine elvine " en Ran'ine dará la misma lectura lectura los termmetros calibrados en Belsius " en Fahrenheit1 RESPUESTA
Grados Bent4grados a elvin ;en el grado -&&<3 "a que en ambos crecen en intervalos de -3 porque empieza empieza de & a -&& " de /%@ a @%@! Grados Fahrenheit a Ran'ine ;en el grado -)&<3 "a que en ambos crecen en intervalos de - porque empieza de @/ a /-/ " de CD/ a (D%! C! 0Buáles son dos mtodos 94sicos para dise+ar dise+ar un un sistema sistema adiabático1 adiabático1 RESPUESTA5
-!< ue sistema no intercambie calor con el exterior! /!< ue la variacin de energ4a interna es igual al traba#o realizado en el sistema!
Luis Adad González Fragoso ! 0Bmo distingues un vapor saturado de un sobrecalentado a la misma presin1 RESPUESTA5
?or la Hemperatura a la que est3 "a que3 la temperatura del vapor sobrecalentado a di9erencia de la del vapor saturado3 puede variar considerablemente para una misma presin! (! 0Buál es la di9erencia entre punto cr4tico " punto triple de una sustancia pura1 RESPUESTA5
ue el punto cr4tico " el de congelacin dependen de la presin3 " el punto triple es una propiedad =#a3 "a que3 nos da a conocer las condiciones de temperatura " presin en las cuales pueden coexistir las @ 9ases de una sustancia pura!
%! En qu condiciones limite se comportan los gases como gas ideal! RESPUESTA5
Hodas las molculas del gas ideal3 tienen las mismas masas " se mueven al azar! Las molculas son mu" peque+as " la distancia entre las misma es mu" grande! Entre las molculas3 no acta ninguna 9uerza3 " en el nico caso en que se inJu"en unas a otras es cuando chocan! Buando una molcula choca con el poder del continente o con otra molcula3 no ha" prdida de energ4a cintica! La 9uerza gravitatoria3 que e#erce la tierra sobre las molculas3 se considera despreciable por lo que a su e9ecto sobre el movimiento de las molculas se re=ere! Las molculas se mueven a tal velocidad que chocan con la pared del continente o entre si antes de que la gravedad pueda inJuir de modo apreciable en su movimiento! Hodo lo anterior se de=ne debido a la le" de los gases ideales ;?K,*RH< " sta a su vez viene de las le"es de Mo"le ;-!?-,/!?/<3 de Bharles ;6A una presin dada el volumen es directamente proporcional a la Hemperatura7< " de Ga"Lussac ;6La presin de un gas que se mantiene a volumen constante3 es directamente proporcional a la temperatura7
Buando el Ju#o que pasa por el volumen de control es constante " sin variaciones! D! 0Buáles son las condiciones necesarias para un Ju#o uni9orme1 RESPUESTA5
B$A*NO8 La pro9undidad3 el área mo#ada3 la velocidad " el caudal en cada seccin del canal son constantes!
Luis Adad González Fragoso La l4nea de energ4a3 la super=cie del agua " el 9ondo del canal son paralelos3 es decir3 sus pendientes son todas iguales P9 , PQ , Po , P3 donde P9 es la pendiente de la l4nea de energ4a3 PQ es la pendiente del agua " Po es la pendiente del 9ondo del canal! -&!Nescr4banse cuatro e#emplos prácticos de procesos unidireccionales de observacin diaria RESPUESTA5
-!< Buando alguien expone algo en clase8 Forma parte de un proceso de comunicacin unidireccional3 "a que3 el individuo proporciona la in9ormacin a otra;as< personas sin recibir una contestacin o retroalimentacin directa! /!< El Hiempo3 "a que es algo que va en una sola direccin " no lo puedes regresar! @!< La toma de decisiones3 debido a que una vez que haces algo "a no lo puedes deshacer ni rehacerlo de una me#or manera3 porque el verbo hubiera no existe! C!<
--!Nescribe la di9erencia entre reversibilidad total3 interna " externa RESPUESTA5
La di9erencia entre las @ es que la reversibilidad total3 se da cuando el ciclo es totalmente reversible3 es decir3 que puede volver a tomar sus condiciones iniciales despus de haber pasado por varios procesos3 mientras que la interna re=ere lo mismo pero con la di9erencia que en el exterior del ciclo ha" un intercambio de calor con una di9erencia de temperatura3 por lo tanto ste es externamente irreversible pero internamente reversible! 2 por ltimo es lo contrario3 es decir3 el ciclo en su interior desarrolla alguna irreversibilidad como la 9riccin mientras que en su exterior permanece reversible3 por lo tanto tiene una reversibilidad externa! -/!Nescribe que el ciclo de Barnot RESPUESTA5
$na máquina de Barnot convierte la máxima energ4a trmica posible en traba#o mecánico! Barnot demostr que la e=ciencia máxima de cualquier máquina depende de la di9erencia entre las temperaturas máximas " m4nimas alcanzadas durante el ciclo3 cuanto ma"or es esa di9erencia más e=ciente es la máquina! Pe de=ne ciclo de Barnot como un proceso c4clico reversible que utiliza un gas per9ecto3 " que consta de dos trans9ormaciones isotrmicas " dos adiabáticas3 tal como se muestra en la =gura!
Luis Adad González Fragoso
La representacin grá=ca del ciclo de Barnot en un diagrama p es el siguiente
Hramo AM isoterma a la temperatura H Hramo MB adiabática Hramo BN isoterma a la temperatura H/ Hramo NA adiabática
-@!Nescribe la desigualdad de elvin?lanc' RESPUESTA5
sta es más bien una de=nicin ".o interpretacin que l le dio a la segunda le" de la Hermodinámica3 en la cual nos dice que: 6Es imposible construir un aparato que opere c4clicamente3 cu"o nico e9ecto sea absorber calor de una 9uente de temperatura " convertirlo en una cantidad equivalente de traba#o7! Es decir que no es posible construir alguna máquina cu"o nico =n sea extraer calor de una 9uente de temperatura para convertirlo en su equivalente de traba#o!
Luis Adad González Fragoso
-C!Buando un ciclo es internamente reversible3 internamente irreversible o imposible RESPUESTA5 Internamente reversible ! Pe le llama as4 cuando a un proceso se le
lleva de un estado inicial a uno =nal " ste puede retomar sus condiciones originales3 "a que3 si todos los procesos son internamente reversibles3 el ciclo tambin lo es! Internamente irreversible ! Pe puede de=nir como lo contrario del anterior3 es decir3 cuando un proceso es llevado de un estado inicial a uno =nal " ste no puede retomar sus condiciones originales3 "a que3 en el interior de ste se involucra alguna irreversibilidad3 como la 9riccin! Imposible: Homando en cuenta los enunciados de Blausius " elvin podemos expresar que un ciclo es imposible cuando: 6$n proceso tiene como nico =n extraer calor de una 9uente a una cierta temperatura " convertirlo en traba#o7 o 6$n proceso tiene como =n trans9erir calor de un cuerpo a una cierta temperatura a otro con un temperatura superior7! 2 mu" generalmente podemos decir que ste tipo de procesos son todos aquellos que decrementan la entrop4a! -!Resuelve tres ciclos simples de vapor donde uno sea imposible3 otro internamente irreversible " el tercero internamente reversible RESPUESTA5 Imposible
Puponga que una persona le comenta que constru" una máquina trmica la cual3 en cada ciclo3 recibe -&& cal de la 9uente caliente " realiza un traba#o de C-) S! Pabiendo que - cal , C!-) S! 0u puede opinar al respecto1 Polucin: Pi la máquina recibe -&& cal de la 9uente caliente quiere decir que:
Luis Adad González Fragoso
Ahora por 9rmula tenemos:
ue multiplicado por -&&3 tenemos Entonces podemos concluir como respuesta3 que eso es imposible "a que viola la segunda le" de la termodinámica3 al decir que una máquina no puede realizar una e=ciencia de -&&U3 puesto que al realizar algn traba#o la energ4a tiene que disiparse de alguna 9orma o trans9ormarse en otra cosa! Internamente Reversible
Bonsidere una central elctrica de vapor que opera en un ciclo Ran'ine ideal simple " que tiene una salida de neta de potencia de C >5! El vapor entra a la turbina a % >?a " && TB3 " se en9r4a en el condensador a una presin de -& '?a mediante el agua de en9riamiento proveniente de un lago " que circula por los tubos del condensador a una tasa de /&&& 'g.s! >uestre el ciclo en un diagrama Hs respecto de las l4neas de saturacin " determine a< la e=ciencia trmica del ciclo3 b< el Ju#o másico del vapor " c< el aumento de temperatura del agua de en9riamiento! H ;TB< &&
% >?a
-& '?a
Niagrama Hs
s-,s/
s@,sC
?or lo tanto3 se tiene: La e=ciencia trmica! olumen de control: Hurbina! Estado a la entrada: ?@3 H@ conocidas8 estado =#o! Estado a la salida: ?C conocida! Análisis:
Luis Adad González Fragoso ?rimera le": wturb
= h3 − h4
Pegunda le": s 4
= s 3
?ropiedades de los puntos: ;Habla Bengel< V h@,@C-&3 'S.'g3
s@,(!%D)'S.'g3
s@,sC,(3%D)'S.'g V (3%D),&3(CD@WxC%3&&D xC,&3)-D%
V
hC,-D-3)@W&3)-D%;/@D/3)<
hC,/-@3/ 'S.'g
wturb
= 3410 ,5 − 2153 ,2 = 1247 ,3kJ / kg
La e=ciencia trmica del ciclo! olumen de control: bomba! Estado a la entrada: ?- conocida3 l4quido saturado8 estado =#o! Estado a la salida: ?/ conocida! Análisis: ?rimera le": wbomb
= h2 − h1
Pegunda le": s 2
= s1
?orque s 2
= s1 ,
h2
2
− h1 = ∫ 1 vdP
Luis Adad González Fragoso
?ropiedades de los puntos: ;Habla Bengel< V h-, -D-3)@'S.'g3 v-,&3&&-&-& m@.'g Bomo el l4quido se considera incompresible3 se tiene: h2
= 191,83
wbomb
wneto
+
0,001010(7 000 - 10)
=
198,89
k J k g
= 198 ,86 − 191,83 = 7,03kJ / kg
= wturb − wbomb = 1247,3 - 7,03 = 1240,27kJ/ kg
olumen de control: caldera Estado a la entrada: ?/3 h/ conocidas8 estado =#o! Estado a la salida: ?@3 h@ conocidas3 estado @ =#o ;segn se indica
= h3 − h2
!"#d
= 3410 ,5 − 198 ,89 = 3211 ,6kJ / kg
η=
wneto !"#d
=
1240,27 3211,6
= 38,
%$ Luis Adad González Fragoso El Ju#o másico del vapor! !"#d = m
& net" wneto
=
4'000 1240,27
= 3$,28kg/s
El aumento de temperatura del agua de en9riamiento! olumen de control: condensador! Estado a la entrada3 vapor: ?C3 hC conocida3 estado C =#o! Estado a la entrada3 X/O: estado l4quido! Estado a la salida3 vapor: ?- conocida3 l4quido saturado3 estado - =#o! Estado a la salida3 X/&: estado l4quido! Análisis: ?rimera le": * 2+
= * v"or 2+ ) 2+ ∆( 2+ = m !ond ( h4 − h1 ) m
∆( 2+ =
!"#d (h4 m
− h1 )
2+ ) 2+ m
?ropiedades de los puntos: ;Habla Bengel: 6propiedades de l4quidos3 slidos " alimentos comunes7< V BX/O,C3-)'S.'gTB
Luis Adad González Fragoso Pi BX/& es el calor espec4=co del agua l4quida en condiciones ambientales ;como se obtiene del lago< " YHX/& es el cambio de temperatura del agua de en9riamiento3 se tiene:
∆( 2+ =
36, 28( 2153 , 2
− 191,83)
4,18( 2000 )
= 8,'1°)
Internamente Irreversible
