Ctedra de Termodinmica General

Compilacin: Prof. Alberto Martnez - Facultad de Ingeniera UC Pgina 1

Universidad de Carabobo Facultad de Ingeniera

Estudios Bsicos Departamento de Fsica

Ctedra de Termodinmica General

Prof. Alberto Martnez

Jefe de Ctedra

Propiedades de las sustancias puras

Problemas:

1. Si para la mayora de las sustancias la densidad de la fase slida es mayor a la lquida,

explique por cul motivo el hielo flota en el agua.

2. Se puede calentar una mezcla lquido-vapor a volumen constante hasta que todo el vapor se

condense? Explique su respuesta.

3. Puede existir solo vapor de agua a una temperatura menor que 0 C? Explique su respuesta.

4. Cul es el significado fsico del punto crtico?

5. Se sabe que a 1 atm y 27 C el agua se encuentra en fase lquida. Para tener vapor de agua a 1 atm, la temperatura debe ser mayor o igual que 100 C. Segn esto, ya que la temperatura de Puerto Cabello no sube nunca a 100 C, las personas deben andar siempre con la ropa mojada en dicho lugar. Explique por qu la ropa s se seca en Puerto Cabello.

6. Se puede expresar la calidad de un vapor como la relacin del volumen ocupado por la fase vapor entre el volumen total? Explique por qu.

7. En ausencia de tablas de lquido comprimido, cmo se determina el volumen especfico de un lquido comprimido a determinadas condiciones de P y T?

Competencia de la unidad curricular: Aplica de manera sistemtica y reflexiva leyes y

principios de la termodinmica para el anlisis energtico de sistemas trmicos propios de

los procesos industriales, haciendo nfasis en la cuantificacin de las interacciones de

trabajo y calor que en ellos tuvieran lugar y comprobando la posibilidad que tienen de

llevarse a cabo, orientado su interpretacin con un enfoque integral, multidisciplinario y

responsabilidad desde la resolucin de problemas pertinentes del contexto.

Indicador de logro: Analiza el comportamiento termodinmico de sustancias puras que

experimentan distintos tipos de procesos por medio de la localizacin y/o determinacin de

sus propiedades en un estado haciendo uso de tablas y diagramas termodinmicos.

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8. Para el agua, complete la siguiente tabla de propiedades:

T (C) P (kPa) v (m/kg) x u (kJ/kg) h (kJ/kg) s (kJ/kgK) Fase

200 0,6

120 1800

80 500

800 3167,7

500 0,130

620 28000

9. Dentro de un recipiente rgido se encuentra agua en su estado crtico. El agua se enfra hasta

que alcanza una presin de 20 bar.

a) Determine la calidad, energa interna especfica, entalpa especfica y entropa especfica en el estado final

b) Represente la trayectoria del proceso en los diagramas P-v y T-v 10. Un tanque de 500 L contiene una mezcla lquido-vapor de agua a 300 C. Determine:

a) La masa de cada fase, si sus volmenes son iguales

b) El volumen que ocupa cada fase, si sus masas son iguales 11. Un tanque rgido de 4 L contiene 2 kg de una mezcla lquido-vapor de agua a 50 C. El agua

se calienta hasta que existe una sola fase.

a) Estar el agua en fase lquida o vapor?

b) Si el volumen inicial fuese 10 veces mayor, estar el agua en fase lquida o vapor? 12. Un tanque rgido contiene agua a 100 C. Inicialmente el volumen del lquido es 1/10 parte

del volumen ocupado por el vapor. El sistema se calienta hasta que la presin llega a 2 MPa. En el estado final, cul es la proporcin de volumen de lquido con respecto al del vapor?

13. Se tienen 2 kg de agua lquida saturada a 50 C. Se transfiere calor isobricamente hasta

que se convierten completamente en vapor saturado. Posteriormente, se aumenta la temperatura hasta 150 C siguiendo una trayectoria de vapor saturado. Finalmente, se disminuye su presin isomtricamente hasta la temperatura 27 C.

a) Determine presin, volumen especfico y temperatura en cada estado

b) Determine el cambio de entalpa en cada etapa

c) Represente la trayectoria total en los diagramas P-v y T-v 14. Una unidad de refrigeracin cuyo volumen es 0,05 m3 emplea refrigerante R-134a, est

inicialmente vaca y va a llenarse. Durante este proceso, la temperatura permanece constante e igual a la del ambiente a 25 C.

a) Cul ser la masa de R-134a en el sistema cuando la presin es 250 kPa?

b) Cul ser la masa de R-134a cuando el sistema est lleno de vapor saturado?

c) Qu fraccin (en masa) de R-134a existir como lquido saturado cuando el sistema contiene 5 kg de refrigerante y cul ser la presin?

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15. Un recipiente cilindro-pistn contiene 5 kg de agua a 300 C y con un volumen de 1,5 m3. Inicialmente, el pistn se encuentra por debajo y ejerce presin sobre unos topes colocados en la parte superior del cilindro. La presin externa es de 700 kPa y por falta de aislamiento trmico, el agua se enfra hasta alcanzar la condicin de vapor saturado.

a) Determine la presin inicial que ejercen los topes

b) Determine la temperatura y el volumen final del agua

c) Represente los procesos en los diagramas P-v y T-v 16. Un sistema contiene vapor de agua saturada a 2 MPa con un volumen inicial de 0,03 m3. El

agua se enfra a volumen constante hasta que se alcanza una temperatura de 200 C. A continuacin, el sistema se expande de manera isotrmica hasta duplicar su volumen.

a) Determine la presin en los estados intermedio y final

b) Determine la variacin de entalpa en cada proceso

c) Determine la interaccin de trabajo en cada proceso

d) Represente los procesos en los diagramas P-v y T-v 17. Se tiene 1 kg de vapor de agua saturada a 1,30 MPa en un dispositivo cilndrico provisto con

un pistn, el cual se encuentra inicialmente sobre unos topes inferiores. Se transmite calor al sistema hasta la condicin de vapor sobrecalentado a 620 C y 0,17 m3/kg.

a) Determine la presin a la cual el pistn comienza a moverse

b) Determine la variacin de volumen y entalpa en cada proceso

c) Determine la interaccin de trabajo en cada proceso

d) Represente los procesos en los diagramas P-v y T-v 18. Un dispositivo cilindro-pistn provisto por un conjunto de topes inferiores contiene 15 kg de

agua a una temperatura de 120 C con una relacin volumtrica de lquido a vapor de 1/150. El pistn posee una masa de 900 kg y un rea de 0,02 m2, descansando inicialmente sobre los topes inferiores. Se transfiere calor al sistema hasta observarse un incremento en el volumen de 200 % con respecto al volumen inicial.

a) Determine el porcentaje en masa de lquido en el estado inicial

b) Determine la presin y la entalpa especfica al final del proceso

c) Determine la presin y la temperatura a la cual empieza el pistn a moverse

e) Represente los procesos en los diagramas P-v y T-v

f) Determine la transferencia de calor una vez que el pistn abandona los topes

g) Si ahora el sistema se enfra manteniendo una presin de 0,55 MPa, determine la altura a la cual se debe colocar el conjunto de topes para que el sistema alcance la condicin de lquido saturado

19. Un dispositivo que consta de cilindro-pistn al inicio contiene 3 kg agua a 200 kPa y 50 C

de sobrecalentamiento. El dispositivo se coloca a la intemperie y el agua se enfra lentamente, de modo que el pistn desciende hasta chocar con unos topes inferiores, punto en el cual el cilindro contiene vapor saturado. El enfriamiento cesa cuando el sistema alcanza el equilibrio trmico con el ambiente, el cual permanece a 27 C.

a) Determine la temperatura y el volumen especfico inicial

b) Determine la temperatura y el volumen especfico cuando el pistn llega a los topes

c) Determine la presin y la calidad final

d) Determine la interaccin de calor en el primer proceso

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e) Represente los procesos en los diagramas P-v y T-v 20. El refrigerante R-134a est contenido en un conjunto cilindro-pistn, donde el volumen es

11 L cuando el pistn llega a los topes superiores. El estado inicial es de -20 C y 100 kPa con un volumen de 10 L. Este sistema se retira de la intemperie y se calienta hasta 20 C.

a) Est en contacto el pistn con los topes superiores en el estado final?

b) Represente la trayectoria total en los diagramas P-v y T-v

21. Un dispositivo cilindro-pistn contiene inicialmente amonaco (NH3) a 26 C con un volumen de lquido de 0,02 m3 y el resto es vapor. Inicialmente el pistn descansa sobre unos topes inferiores y la presin externa es de 1554,33 kPa. Se transmite calor al sistema hasta alcanzar la condicin de vapor saturado; a partir de ah el pistn se mueve libremente hasta que el NH3 alcanza una temperatura de 120 C.

a) Determine la masa contenida en el dispositivo cilindro-pistn

b) Represente los procesos en los diagramas P-v y T-v

c) Determine la variacin total de energa interna

22. En un cilindro como el de la figura hay 0,8 kg de R-134a a 20 C. El R-134a se encuentra

cubierto por un pistn deslizante y adiabtico, de peso y espesor despreciables, situado inicialmente a 40 cm de altura. Encima del pistn hay cierta cantidad de una sustancia lquida de densidad desconocida. El cilindro tiene un rebosadero situado a 80 cm de altura. Se aporta calor lentamente al cilindro por su parte inferior, de modo que la tapa empieza a ascender y el lquido superior empieza a rebosar. El proceso termina cuando la tapa alcanza la altura del rebosadero y se ha vertido todo el lquido.

a) Determine la presin y la calidad en el estado inicial

b) Determine la temperatura y la calidad en el estado final

c) Determine la densidad del lquido desconocido

d) Determine la variacin de energa interna del R-134a

e) Represente el proceso en el diagrama P-v

R-134a -20 C

Patm = 100 kPa

80 c

m

40 c

m

Lquido desconocido

0,1 m2