�������� �� �������
PROBLEMAS DE TERMOFÍSICA 1. Calcular la energía necesaria en kcal/kg para transformar hierro puro de 0ºC a hierro fundido a una temperatura de 1650ºC. Téngase en cuenta que el hierro sufre transformaciones alotrópicas en fase sólida con las siguientes propiedades: TRANSICIÓN αβ β γ γ γ γ δ
T(ºC) 770 910 1400
∆H / (cal/atmg)
363 313 106
Ce (kcal/kg K) 0,150 0,175 0,200
Considerar que en el intervalo 0ºC
2. Calcúlese el incremento de entalpía del vapor de cinc a 1000ºC y presión atmosférica, relativa al sólido a 0ºC. El cinc funde a 419ºC y su punto de ebullición (normal) es 907ºC. Datos: Ce(promedio) para Zn sólido: 0,105 cal/(gºC) Ce(promedio) para Zn líquido: 0,109 cal/(gºC) Entalpía de fusión (Zn): 1660 cal/atmg Pa(Zn):65,4 Para estimar la entalpía o calor de vaporización en (cal/molg) utilizar la siguiente forma de la ecuación de Kistyakowsky (T eb en Kelvins): λ λv
T eb
= 8 75 + 4 , 571 log T eb
Cp (estimado para Zn en fase vapor): (5/2)R cal/(molg·K) Sol.: ∆ H total total = 540 cal / g
3. La capacidad calorífica en cal/mol·K de una sustancia viene dada por la ecuación: Cp = 8,89 + 2,91·10 -3·T – 2,84·10 4·T-2 Esta ecuación es válida en el intervalo de temperatura 273 K
�������� �� ������� 4. La capacidad calorífica de muchos compuestos es de la forma: Cp (J/mol·K) = a + bT + cT 2 + dT3 Para el agua: Pm Estado 18,016 L g
T K ºC
a b·102 18,2964 47,212 33,46 0,6880
c·105 -133,88 0,7604
d·T9 1314,2 -3,593
∆T
273-373 0-1500
Calcular: a) La capacidad calorífica media del agua líquida entre 298K y 373K b) La capacidad calorífica media del agua gaseosa entre 100ºC y 110ºC Sol.: a) 75,6 J/mol K ≡ 1cal/gºC b)34,26 J/mol K ≡ 0,455 cal/gºC
5. Calcular el calor de vaporización del n-butano a una presión de 200 lbf/in 2 (psi), sabiendo que 1 atm = 14,69 psi, (T eb)n = 0ºC, (Teb)200psi = 348K y Tc = 423K. Sol.: 4172 cal/mol
6. Calcular el calor de vaporización del CS 2 a una p = 77,5 psi. Datos: (T eb)n = 319K, (Teb)77,5 psi = 377K y T c = 538K. Sol.: 4819 cal/mol
7. Se mezclan benceno a 35ºC y heptano a 95ºC en proporciones equimolares en un tanque adiabatizado antes de introducirlos en una tubería. Suponiendo que el calor de disolución es despreciable y que la relación entre las capacidades caloríficas y la temperatura es lineal, se pregunta. ¿Cuál será la temperatura de salida de la mezcla? A efectos prácticos se pueden usar las siguientes correlaciones para C p (T): Cp(C6H6) = 14,95 + 0,0558T cal/molK Cp(C7H16) = 29,9 + 0,021T cal/molK Sol.: 346 K
8. Se introducen metano a 25ºC y aire a 100ºC en un precalentador en las cantidades requeridas para conseguir la siguiente composición en volumen: CH4 (17,35%); N2(65,3%) y O2(17,35%). La mezcla debe precalentarse hasta conseguir una temperatura de 400ºC. El objetivo es preparar la temperatura de alimentación a un reactor de combustión de metano. Se pide determinar el calor (realmente el flujo de calor en kcal/h) necesario para ello, si se desea lograr un gasto o flujo másico de O 2 de 60 kg/h. Datos de Cp medios para el intervalo de temperatura indicado:
2
�������� �� ������� Cp(cal/mol·K) 25ºC – 100ºC 25ºC – 400ºC
Oxígeno 7,083 7,406
Nitrógeno 6,972 7,089
Metano 10,97
Aire 6,996 7,152
Sol.: 26994 Kcal/h
9. El tolueno puede producirse a partir de naftas mediante el proceso de Forming. La fracción de agua/tolueno que sale del separador contiene un 9% en masa de agua, entra a 149ºC en un condensador y sale del mismo a 94ºC. La condensación se logra haciendo pasar un flujo másico de 21800 kg/h de naftas que entran a una temperatura de 15ºC. La corriente de agua/tolueno que sale del condensador a 94ºC lo hace con un flujo másico equivalente al 27,5% del flujo másico de alimentación de naftas y se envía luego a un cambiador de calor con el fin de rebajar la temperatura a 38ºC. Como refrigerante se usa agua líquida que entra a 18ºC y sale a 55ºC. Se pregunta la temperatura de salida de las naftas del condensador y el flujo másico de agua de refrigeración que se debe utilizar en el cambiador de calor.
H2O(l) H2O(v) Tolueno (l) Tolueno (v)
Ce medio (kcal/kgK) 1 0,5 0,4 0,3
(Teb)nºC 100 127 -
λv(cal/g)
539 55,5 -
P = 1 atm; Ce medio naftas = 0,5 kcal/kg Diagrama del proceso: ������, ��� �������/���� (�% ����) �
1����
� �����
�����������
� �
������
�
21�00 ��/�
�
1���
���� 2�,�% ����� ������
�
���������
�
�� �����
� 3���
���� ������ ������� 1��� 3
����
