Departamento de Máquinas y Motores Térmicos
Termodinámica Grado en Ingeniería Aeroespacial
PRÁCTICAS DE LABORATORIO (EES) Termodinámica
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Índice de prácticas Práctica
Tema
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Introducción EES. Definiciones y conceptos.
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Propiedades y estados sustancia simple, compresible.
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1er Principio. Sistemas Cerrados.
4
1er Principio. Sistemas abiertos.
5
2º Principio
6
Aplicaciones 2º Principio
7
Exergía
8
Transferencia de calor
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Práctica 1. Definiciones y Conceptos Presentación de EES
Ejercicio 1 a) Resuelva el siguiente sistema con EES: 2x – y + z = 5 2
3x + 2y = z + 2 xy + 2z = 8 b) Grafique el calor específico medio a presión constante del vapor de agua en función de la temperatura, sabiendo que: 2
5 2
9 3
Cp = 32.24 + 0.1923 10 T + 1.055 10 T – 3.595 10 T [kJ/kmol K] ‐
∙
‐
∙
‐
∙
∙
(Ecuación válida desde 273K hasta 1800K)
Ejercicio 2 a) Complete la tabla mostrada a continuación para el H2O utilizando EES:
T [ºC] 50 250 110
P [kPa] 200 400 600
v [m3/kg] 4.16 0.8858
b) Repita la solución para los refrigerantes 134a y 22.
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Práctica 2. ropiedades y est ados su tancia simple, co mpresible. Ejer icio 1 Un r cipiente cu o diámetro interno es de 20 cm est lleno de a ua y cubier a con una t pa. Si la pr sión atmos érica local s 101 kPa, i nvestigar el efecto que la masa de l tapa tiene sobre la te peratura de ebullición del agua en la vasija, su onga que la masa de la tapa varía de 1 kg a 10 kg y grafiqu la temperatura de ebul lición contr la masa de la tapa. ∙
Patm = 101 kPa
H2O
Ejer icio 2 Un r cipiente rígido de 0.5
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que conti ne hidrógeno a 20ºC y 600 kPa se conecta me iante 3
una álvula a otr recipiente rígido de 0. m que co tiene hidró eno a 30ºC y 150 kPa. uego, se a re la válvula y se dej
que el sis tema alcance el equili rio térmic
con el en orno.
Investigue el ef cto que tiene la tem peratura d l entorno obre la pr esión final en el recipiente. Supo ga que la t mperatura el entorno varía de 10ºC a 30ºC. G rafique la p esión ‐
final en el recipiente en función de la te peratura d l entorno.
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Práctica 3.
er Princi
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io: Sist mas cerrados
Ejer icio 1 Un r cipiente rígido bien aisl do contien una masa
de una m zcla de agu saturada d
líqui o y vapor a 100 kPa. Al inicio, tres c artos de la masa están n la fase líq uida. Una resis encia eléctrica colocada en el recipi nte se con cta a una fuente de 110 V; una corriente de 8 . Investigu el efecto de la masa ini cial del agu m en el tie po requeri do para com letar la eva oración del líquido. Sup onga que la masa inicial varía de 1 a 10 kg y trace el tiem o de evaporación en fu ción de la
asa inicial.
Ejer icio 2 Un dispositivo q e consta d cilindro é bolo contiene inicialmente 1.764 lb de nitróge o a 1 ‐
Bar y 27ºC. El nit ógeno se c mprime de manera len a en un pro eso politró ico (n=1.3), hasta que l volumen se reduce a la mitad. D etermine p ra este proceso el trab ajo realizado y la transferencia de calor. Graf icar en un diagrama P
el proces , e investi gue el efec o del
cam io del expo ente n de 1.1 a 1.6 en e l trabajo re lizado. Utili e las funcio nes de conv rsión de u idades al SI.
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Práctica 4. 1er Principio. Sistemas abiertos. Ejercicio 1 A una tobera adiabática entra aire en forma estable a 300 kPa, 200ºC y 30m/s, y sale a 100 kPa y 180 m/s. Determine: a) La temperatura de salida del aire. b) El área de salida de la tobera. c)
Diseñar la pantalla de entrada de datos para calcular los apartados a,b en función de los datos de entrada a la tobera. 2
d) Graficar los resultados obtenidos si el área de entrada varía desde 50 a 150 cm .
Ejercicio 2 Un producto envasado a nivel del mar, es transportado hasta una localidad a una cierta altitud. Debido al cambio de presión, al llegar a dicha localidad, el envase aumenta su volumen un 20%, momento en que aparece un pequeño agujero del que sale lentamente aire hasta recuperarse el volumen inicial. Calcular la altura de la localidad, la presión final, la cantidad de aire que ha salido, y el calor y el trabajo en cada proceso en kJ. DATOS: Inicialmente el envase contiene 100g de aire a 20ºC y 1bar NOTA: Supóngase que el envase es flexible, y que la temperatura se mantiene constante a lo largo de todo el proceso. La variación de la presión con la altura se puede calcular con P=P0*exp( 1.22e 4*altura) ‐
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Práctica 5. º Princi io Ejer icio1 Una máquina té mica opera entre una uente a 550ºC y un sumidero a 2 ºC. Si el calor es sumi nistrado a la máquina t rmica a una tasa estable de 1200 k /min, deter minar la salida de pote cia máxima de esta má uina térmi a. Analizar los efectos q e tienen la temperatu as de la fu nte de calor y del sumidero de cal r sobre la otencia producida y la eficiencia t rmica del ciclo. Suponga que la te peratura va ría de 300
1000ºC mi ntras que l a del sumid ro de
0ºC, 25ºC y 50ºC.
Ejer icio 2 Una máquina d
Carnot o era con 2 moles de un gas ideal. En el p roceso cíclico, la
temp eratura má ima que alcanza el gas es de 527ºC y la presión máxima es de 5 atm. El calor sumi nistrado es e 400 J y el trabajo reali zado por di ha máquina es de 300 J. a) Calcular la temperat ra del depó sito frío y la eficiencia p rcentual. ) Si empl ando únic mente el
alor expul ado por la máquina se logra d rretir
totalmente un bloque de hielo e 10 kg a ºC, ¿Duran e cuántos c iclos debe perar esta máquina? c)
Estudiar la influencia de la temperatura del depósito fría on la eficie cia del cicl .
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Práctica 6. Aplicaciones 2º Principio Ejercicio 1 3
Un recipiente rígido de 0.5 m contiene refrigerante 134a el cual se halla inicialmente a 200 kPa y una calidad de 40%. Después, el calor se transfiere al refrigerante de una fuente a 35ºC hasta elevar la presión a 400 kPa. Determinar: a) El cambio de entropía del refrigerante b) El cambio de entropía de la fuente de calor c)
El cambio de entropía total del proceso
d) Analizar los efectos de la temperatura de la fuente y la presión final en el cambio de entropía total del proceso. Variar la temperatura de la fuente de 30 a 210ºC y la presión final de 250 a 500 kPa.
Ejercicio 2 Por una turbina adiabática fluye vapor de modo estable. Las condiciones de entrada del vapor son 10 MPa, 450ºC y 80 m/s, y las de salida son 10 kPa y 50 m/s. El flujo másico del vapor es 12 kg/s. El cambio de altura entre la entrada y la salida es de 0.5 m. Suponga una eficiencia isentrópica de 0.7. Determinar: a) El cambio de energía cinética. b) La calidad del vapor de salida. c)
La salida de potencia.
d) El área de entrada de la turbina. e) Investigar el efecto que la presión en la salida de la turbina tiene sobre la salida de potencia suponiendo que la presión varía de 0.01 a 0.2 MPa.
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Práctica 7. xergía Ejer icio 1 Una
áquina tér ica recibe calor de una fuente a 1500 K a una t sa de 700 k J/s, y desec a
calor de desperdicio hacia un medio a 32 K. La salid de potenci de la máq ina térmica se ha medi do en 320 k
y la temp ratura de l s alrededores es de 25º . Determin ar:
a) La poten ia reversibl . ) La tasa d irreversibilidad. c)
La eficie cia de la se unda ley de esta máqui a térmica.
) Grafique la tasa de ir eversibilidad y la eficie cia de la se unda ley cu ando la tempera ura desech da varía de de 500 K hasta 298 K.
Ejer icio 2 Se comprime air de forma estable desd 100 kPa y 7ºC hasta 6 0 kPa y 167 ºC, por medio de un c mpresor de 8 kW a una tasa de 2.1 g/min. Ignorar los cam ios de ener ía cinética pote cial y determinar: a) El incre ento de exergía del aire.. ) La tasa d exergía destruida dura nte este proceso. Suponga que los alrededores están a 17º .
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Práctica 8. ransfer ncia de calor Ejer icio 1 Un t bo de cobre con pared delgada ri s e usa para ransportar n fluido re rigerante d baja temp eratura y e tá a una te peratura T i. La temperatura del m dio es To al rededor del tubo. Calc lar el aisla iento crític usando un a tabla par métrica o c n la funció n de optimi ación de E S. Graficar l flujo de calor por la tu ería para distintos espesores. Dato : r i = 5 mm T i = 258 K T o = 93 K e = 0, 2, 5, 10, 20, 40 mm k = 0.055 W/mK 2
h = 5 W/m
Ejer icio 2 Repetir el ejercicio anteri r utilizand
una función para el cálculo d
la h me iante
corr laciones.
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