TerMoDinámica Amoniaco ( NH 3 ) inicialmente a
T1 10C
3 v1 0, 0,1216m / kg , realiza el siguiente ciclo
Se tiene agua inicialmente como vapor saturado a 1bar y realiza un ciclo termodinámico compuesto por los siguientes procesos sin fricción: (1-2) hasta (2-3) Isobárico hasta líquido saturado a (3-4) hasta 0,1Mpa (4-1) Isotérmico Se pide: a) Tabular las propiedades p(kPa), v( , u(kJ/kg) b) Graficar p-v. c) El ciclo ¿se puede realizar?
Se tiene un dispositivo cilindro-pistón cuyo esquema se muestra en la figura, que inicialmente contiene 4kg de agua como liquido saturado a 35°C y el pistón cuya 2
sección es de 0, 2m , descansa en los topes inferiores. Posteriormente se suministra calor al agua de modo que la presión al interior del dispositivo alcanza 5MPa. La presión atmosférica es de 100kPa, el peso del pistón es de 20kN y la constante del resorte es 4 MN/m. Sabiendo que cuando el pistón choca con el resorte, el 3
agua ocupa un volumen de 0,08m , determinar: a) b) c) d)
La temperatura final del agua en °C. El trabajo neto, en kJ. El calor neto, en kJ. Graficar los procesos en un diagrama p-v, indicando 3
valores en kPa y m / kg
termodinámico, sin fricción (1-2) isócoro hasta 100°C (2-3) pv
n
C hasta liquido saturado a 10°C
(3-4) pv=C hasta -10°C (4-1) isotérmico Si la masa es constante durante el ciclo, se pide: 3
a) Valores de p(kPa), T(°C) y v( m / kg ) en cada estado. Tabular. b) Diagrama de p-v del ciclo. c) Calor neto del ciclo, en kJ/kg
Se tiene 2 kg de vapor saturado en agua inicialmente a 1 bar y realiza un ciclo termodinámico compuesto por los siguientes procesos sin fricción: (1 – 2) 2) pvn = C, hasta 400ºC (2 – 3) 3) isobárico hasta líquido saturado de 242,6ºC (3 – 4) 4) pv = C hasta 1 MPa (4 – 5) 5) isócoro (5 – 1): 1): isotérmico a) Tabule las propiedades p(MPa), v(m 3/kg), u(kJ/kg) y grafique el ciclo en un diagrama p - v b) Determine el calor evacuado en el ciclo c) Evalúe la eficiencia o el COP según corresponda.
Se tiene 3 kg de agua inicialmente a 5MPa, y realiza un ciclo termodinámico compuesto por los siguientes procesos sin fricción: (1 – 2) 2) isobárico hasta 300ºC (2 – 3) 3) pvn = C, con n = 1,2 hasta 225 kPa (3 – 4) 4) isotérmico y se suministra 390kJ de trabajo de cambio de volumen. (4 – 1) 1) isócoro
a) Tabule las propiedades p(MPa); v(m 3/kg); u(kJ/kg) y grafique el ciclo en un diagrama p - v b) Determine el calor evacuado en el ciclo.
Un sistema contiene 5 kg de líquido saturado (H2O) a 151.86 ºC, el cual realiza un ciclo compuesto por los siguientes procesos sin fricción: (1 – 2) Proceso de expansión isobárico. (2 – 3) Proceso isócoro. (3 – 4) Proceso isobárico (4 – 1) Proceso pvn = C Además, se sabe que: V3 = 4.02 m3 p3= 100kPa Q34 = 3200 Kj Se pide: a) Tabular volumen específico (m3/kg), energía interna específica (kJ/kg) y entalpía específica (kJ/kg) en cada estado termodinámico. b) Determinar el calor trasferido en cada proceso (kJ).
Se cuenta con 2 kg de líquido saturado de agua (sistema cerrado) que se somete a los siguientes procesos termodinámicos: (1 – 2) Proceso isobárico con p1 = 8 MPa y hasta T2 = 500ºC (2 – 3) Proceso pvn = C hasta vapor saturado con P 3 = 2 bar. (3 – 4) Proceso isobárico (4 – 1) Proceso pv = C a) Determine p(kPa), v(m3kg), T(ºC) y u(kJ/kg) en cada estado. b) Determine la relación entre el trabajo neto y el calor total suministrado.
Si se sabe que == Se pide determinar: a) El calor transferido en cada proceso, en kJ b) La eficiencia o el COP del ciclo, según corresponda
En la figura se muestra un dispositivo cilindro-pistón con amortiguamiento que contienen 5 gramos de AIRE (Z=1), con un volumen inicial de 2dm. El pistón de peso despreciable se desplaza dentro del cilindro sin fricción. Inicialmente el amortiguador ejerce una presión sobre el pistón de manera que el aire se encuentra a 2bar. Posteriormente se transfiere calor de modo que el aire alcanza un volumen de 4dm y 4 bar. Considerando que el amortiguador establezca que el proceso sea de la forma pv=C, determine: a) El trabajo (kJ) desarrollado en el dispositivo e interpretar el signo. b) El calor (kJ), transferido durante el proceso e interpretar el signo.
Un dispositivo termodinámico que cuenta con 5kg de una
Cv
sustancia
(Z=1;
C p
1, 2kJ / kg.K ;
0,8kJ / kg .K ) realiza un ciclo termodinámico
a través de los siguientes procesos sin fricción: (1-2) Proceso isobárico hasta que el V2
Un sistema que contiene 4kg de monóxido de carbono (CO), inicialmente a 1bar y 27°C, realiza un ciclo compuesto por los siguientes procesos sin fricción: (1-2)Adiabático reversible (2-3)Isotérmico (3-4)Isobárico (4-5)Politrópico con n=-1
4V 1
(2-3) Proceso politrópico durante el cual se suministra (ingresa) 3200kJ en forma de trabajo y se evacuan (salen) 4800kJ en forma de calor. (3-4) Proceso isotérmico. (4-1) Proceso isócoro. Se pide: a) Graficar el ciclo en el diagrama p-v, indicando las siguientes propiedades: presión (kPa), temperatura(K) 3
y volumen ( m ) b) Determine el trabajo y calor involucrado en cada proceso.
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En la figura se muestra un dispositivo que contiene un gas ideal (Cp/Cv=1,3) inicialmente a 6 bar y 300ºC cuando la dimensión a = 20 cm. Posteriormente se enfría el gas y el pistón sin fricción se desplaza de modo que la dimensión a = 12 cm. Asumiendo procesos cuasiestáticos, determine: a) La temperatura final del gas en ºC b) El calor transferido durante el proceso.
a) b) c) d) e)
Un dispositivo termodinámico que cuenta con 5 kg de una sustancia (Z = 1; Cp = 1,2 kJ/kg.K; Cv= 0,8 kJ/kg.K) realiza un ciclo termodinámico a través de los siguientes procesos sin fricción: (1 – 2) Proceso isobárico hasta que el V2 = 4V1 (2 – 3) Proceso politrópico durante el cual se suministra (ingresa 3200 kJ en forma de trabajo y se evacúan (salen)) 4800 kJ en forma de calor. (3 – 4) Proceso isotérmico (4 – 1) Proceso isócoro Se pide: a) Graficar el ciclo en el diagrama p - v, indicando las siguientes propiedades: presión (kPa), temperatura (K) y volumen (m3) b) Determinar el trabajo y el calor involucrado en cada proceso.
El cilindro mostrado en la figura contiene 5 kg de aire a 0,8 bar de presión y 300 K de temperatura. Se sabe que el pistón tiene 0,1 m2 de área p0 = 1 bar. El peso del pistón es despreciable. Considere el aire como gas ideal. Si se sabe que el aire realiza los siguientes procesos: (1 – 2) Proceso isócoro hasta antes de empezar el movimiento. (2 – 3) Proceso isobárico hasta tocar el resorte.
(3 – 4) Proceso en donde p4 = 7 p3 y es justo el momento en que el resorte llega a los topes superiores. Halle los valores de T(k), p(kPa) y v(m 3/kg) en cada uno de los puntos. (Tabule) Halle el valor de K resorte y explique qué tipo de proceso se realiza cuando actúa resorte (proceso 3-4) Halle el trabajo de cambio de volumen de todo el proceso, en kJ. Halle el calor involucrado en cada uno de los procesos y comente el signo. Graficar el proceso en el diagrama p - v, indicando valores.
En un compresor se comprime aire (Z=1) desde 1 bar y 22°C, hasta una presión final de 4 bar. En la entrada al compresor, el caudal de aire es 30m3 / h . La tubería de entrada al compresor tiene un diámetro de 4cm y la tubería de salida del compresor tiene un diámetro de 3,5cm. Considere que el proceso de compresión es adiabático y reversible, además despreciable el cambio de energía potencial. Determine: a) La temperatura final del proceso de compresión. b) El cambio de energía cinética, kW. c) La potencia en el compresor, kW.
En el esquema se muestra parte de una Planta Térmica a vapor de agua. Considere a todos los componentes adiabáticos. Los procesos en el condensador y en el mezclador son isobáricos. Para los datos dados y considerando que los procesos son estacionarios y sin fricción, que a la salida del mezclador y del condensador se tiene líquido saturado, y que v4 = v5, se pide determinar: a) El flujo de masa extraída en mA, en kg/s
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b) La potencia en la turbina, en Kw c) El flujo de masa de agua de refrigeración mR , en kg/s, en el condensador.
Un calentador cerrado adiabático para agua de alimentación de un ciclo de generación de energía calienta 20 kg/s de agua desde 100 0C y 20 Mpa hasta 250 ºC y 20 Mpa. El vapor de extracción de la turbina entra al calentador a 4 Mpa y 275ºC, sale como liquido saturado. Determinar: a) El flujo másico que se requiere en el vapor de extracción. b) Tabular las entalpías en cada estado. Nota: Todas las presiones son absolutas.
a) La temperatura a la salida del compresor y a la salida de la turbina. b) La potencia suministrada al compresor. c) La potencia suministrada al generador eléctrico. d) La potencia necesaria para accionar la bomba.
En el esquema mostrado, se emplea una turbina de vapor de agua, para accionar a un compresor de aire y un generador eléctrico simultáneamente. En el compresor ingresa un caudal de 1,5 m 3/s de aire a 27º y 1 bar, y se comprime politrópicamente con un exponente n = 1,3 hasta la presión de 6 bar. A la turbina ingresa 1,5 kg/s de vapor de agua a 5 MPa y 600ºC y se expanden hasta una presión de 50kPa con una calidad de x = 0,95. La bomba impulsa el flujo de agua desde una presión de 50 kPa hasta una presión de 100 kPa. Considerando despreciables los cambios de energía cinética y potencial, y adiabáticas la turbina y la bomba. Determine:
La energía calorífica que existe bajo la superficie de la corteza terrestre se conoce como energía geotérmica. El aprovechamiento de esta energía para generar potencia técnica se hace a través de una planta de evaporación instantánea de agua (vapor flash), cuyo esquema técnico simplificado se presenta en la figura adjunta, los procesos característicos involucrados son los siguientes: Todos los procesos son estacionarios y sin fricción. Todos los dispositivos son adiabáticos. La sustancia en la salida del evaporador (3 y 6) y condensador (5) se encuentra saturada. Procesos isobáricos en el separador de vapor y condensador. Considerar que: V1 = 248 m3/h T1 =200ºC p1 = 10MPa P 3 = 0.5MPa p4 = 20 kPa x4 = 90%
T7 = 20ºC T8 = 30ºC P 7 = P 8 = 100kPa. Se pide: a) Tabular las entalpías en cada estado indicado (kJ/Kg) b) Determinar la potencia mecánica generada por la turbina (kW) c) Determinar el flujo másico de agua de refrigeración (mR ) que ingresa al condensador (kg/s)
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La figura muestra una instalación de un compresor de aire con enfriamiento posterior. El flujo de aire que ingresa en (1) es 3 m3/min, a 20ºC y 100kPa; y realiza un proceso politrópico hasta (2) en que alcanza 500 kPa y 180º C. En (3) al salir del enfriador la temperatura del aire es 40ºC. El enfriador usa 5 litros / minuto de agua que ingresa por (4) a 20ºC y 100º KPa, y sale por (5) a 35ºC. Sabiendo que el motor gira a 1500 RPM y entrega un torque de T = 120 N.m.; determine: a) El calor que se debe transferir en el compresor, b) El calor que se debe transferir en el enfriador posterior. Nota: El trabajo técnico (W) es: W = Tx (velocidad angular)
c) Bajo qué condiciones el vapor de agua se puede comportar como un gas ideal.
a) b) c) d)
En la figura se muestra parte de una planta térmica a vapor de agua. Los procesos que se desarrolla en el condensador y en el mezclador son isobáricos. A la salida del mezclador y del condensador la sustancia se encuentra como líquido saturado. Tomar en cuenta que: Las turbinas el mezclador, el condensador y la bomba son adiabáticos. Los procesos en el sistema son estacionarios y sin fricción. Se pide: Las entalpías en cada estado termodinámico (kJ/kg) El flujo másico mA que ingresa al mezclador (kg/s) La potencia entregada por la turbina (kW) El flujo másico mR del refrigerante en el condensador (kg/s) Datos: V1 = 3.45 m3/s P 1 = 1.6 MPa T1 = 300ºC x2 = 95% P 2 = 0.2 MPa x3 = 90% P 3 = 25 kPa T7 = 20ºC P 7 = 0.1 MPa T8 = 30ºC V4 = V5
a) La figura adjunta presenta dos esquemas técnicos para comprimir aire desde una presión P 1, a una presión P 4. El esquema A representa un proceso de compresión poli tópico (1 < n < k) que eleva la presión desde P 1 hasta P 4, en una sola etapa; mientras en el esquema B representa un proceso de compresión poli trópico (1
b) ¿Qué sería lo deseable para una sustancia refrigerante que circula por el interior de un motor de automóvil con respecto del calor específico?
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A través de una tubería fluye vapor de agua a las condiciones constantes de 18 bar y 400 0C. Una válvula inicialmente cerrada, conecta la tubería con una turbina, seguida de un recipiente inicialmente vació, como se muestra en la figura adjunta. La válvula se abre repentinamente y completamente, y el vapor fluye por la tubería hacia el recipiente llenándolo hasta que la presión en el recipiente alcanza los 14 bar y 300 0C. En ese instante se cierra la válvula inmediatamente. El proceso de llenado se puede considerar adiabático y despreciables los cambios de energía cinética potencial. Tanto la turbina como el recipiente en conjunto hacen un volumen de 2.6m.
Un dispositivo cilindro – embolo adiabático y sin fricción, con un adecuado sistema de enfriamiento, se encuentra ocupado con monóxido de carbono (Z = 1) a una temperatura de 30ºC, una presión de 450 kPa y un volumen de 0,03m3. Dicho dispositivo se encuentra conectado mediante una válvula a una tubería por donde circula aire, con una presión de 1,5 MPa y una temperatura de 400ºC. La válvula se abre y permite que el aire ingresa hasta que la presión llega a 1 MPa, momento en que se cierra la válvula. Al desplazarse el embolo (1-2) el monóxido de carbono, se comprime isotérmicamente, lo cual se logra a través de una adecuada transferencia de calor con el sistema de enfriamiento. Considerando el peso del pistón despreciable, se pide determinar la temperatura final del aire contenido en el cilindro (ºC).
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La figura muestra un colector solar plano cuya superficie es de 3 m2. El colector recibe radiación solar con un ritmo de 450 W/m 2. El 40% de la energía recibida se pierde por transferencia de calor con los alrededores. El resto se utiliza para calentar agua líquida de 30 0C hasta 45 0C. El agua pasa a través del colector solar a la presión a la presión constante de 0,1 Mpa, en un proceso estacionario. . ¿Cuántos colectores de este tipo serian necesarios, como mínimo, para producir 500 litros de agua en 30 minutos?
Un tanque rígido de 0,5 m contiene una mezcla de agua con 50% de líquido y 50% de vapor de volumen, en condiciones de equilibrio a 3MPa. Luego se transfiere calor hasta que la mitad de la masa de líquido se evapora, pero simultáneamente una válvula colocada en la parte superior permite escapar vapor saturado, de modo que la presión dentro del tanque permanece constante. ¿Qué cantidad de calor se debió haber transferido durante el proceso?
El recipiente rígido mostrado, en la figura tiene un volumen de 0.06 m3. Inicialmente el tanque contiene una mezcla de líquido de H2O con una calidad de 10% a una presión de 100 KPa. El tanque se somete a un proceso de calentamiento hasta la presión de 800 kPa, momento en el cual se abre la válvula permitiendo la salida de valor saturado, de tal manera que la presión dentro del tanque se mantienen constante. Este proceso se lleva a cabo hasta que la última gota de líquido dentro del tanque se convierte
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en vapor, instante en que la válvula se cierra y finaliza el proceso. Se pide: a) Calcular la masa de H 2O en el tanque. b) Calcular la masa de vapor de H 2O (kg) que salió del tanque. c) Evaluar el calor transferido en (kJ) en el proceso.
La figura muestra un dispositivo cilindro-pistón que contiene inicialmente 2 kg de vapor saturado a 2 bar, que se conecta por medio de una válvula a un suministro de vapor de agua a 20 bar y 500ºC. Se abre la válvula, e ingresa vapor hasta que en el interior del dispositivo se alcance 200ºC. Si a través de las paredes del dispositivo se evacúa 1800 kJ de calor, determine la masa de vapor de agua que ingresó al dispositivo en Kg.
Una tubería donde fluye agua a 1,4 MPa y 300ºC, tiene una derivación conectada a un tanque cerrado y rígido de 0,4 m3 por intermedio de una válvula. Cuando la válvula está cerrada el tanque contienen vapor saturado a 0,35 MPa. Se abre la válvula y luego se cierra al llegar a 1,4 MPa. Si el proceso es adiabático, hallar la temperatura si es vapor sobrecalentado o la calidad si es vapor húmedo.
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