ACTIVIDAD 6: TRABAJO COLABORATIVO NO. 1

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNADESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA

JAG INGENIERIA INDUSTRIALBOGOTÁ D.C, ABRIL 2013

CONTENIDO

PáginaINTRODUCCIÓN..................................................................................................................31. OBJETIVOS......................................................................................................................4

1.1 Objetivo General.........................................................................................................41.2 Objetivos Específicos..................................................................................................4

2. CINCO SISTEMAS TERMODINÁMICOS EN EL HOGAR O EMPRESA EN DONDE TRABAJEN...........................................................................................................................53. COMPARACIÓN DEL CONSUMO REAL DE ENERGÍA ELÉCTRICA CON EL CONSUMO REAL DE GAS PARA HERVIR UN LITRO DE AGUA......................................7CONCLUSIONES.................................................................................................................8BIBLIOGRAFÍA.....................................................................................................................9

INTRODUCCIÓN

Este trabajo es realizado con el objetivo de llevar a la práctica conceptos claros sobre la termodinámica entendiéndose como una ciencia de la energía que abarca la energía y sus transformaciones incluyendo la generación de potencia, la refrigeración y las relaciones entre las propiedades de la materia.

Analizamos los procesos termodinámicos que ocurren en nuestro diario vivir en las diferentes industrias, nuestros Hogares y Empresas de nuestro país, además se analiza la definición de términos claves como la presión, temperatura y como están relacionadas al igual que las propiedades extensivas, intensivas, específicas y equipos de medición de temperatura y presión, todo esto Gracias a la Asesoría y acompañamiento de nuestro Tutor Víctor Fonseca.

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1. OBJETIVOS

1.1 Objetivo General

La Termodinámica es una parte de la Física que trata de las transformaciones de la energía y de las relaciones entre las propiedades físicas de las sustancias afectadas por las mismas, teniendo un campo de aplicación extremadamente amplio, por ende nosotros como estudiantes debemos entender con profundidad los siguientes conceptos:

El primer principio de la Termodinámica, los conceptos de energía y trabajo y el balance de energía de los sistemas cerrados.

Las relaciones entre propiedades y los datos de sustancias puras simples y compresibles.

Los principios de conservación de masa y energía aplicados a los volúmenes de control.

El segundo principio de la Termodinámica. El concepto de generación de entropía.

Los balances de entropía y energía para sistemas cerrados y volúmenes de control unificando la aplicación del primer y segundo principio.

1.2 Objetivos Específicos

Transmitir los conceptos de la energía interna. Representar las clases de sistemas utilizados en la termodinámica.

Enunciar las leyes de la termodinámica.

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2. CINCO SISTEMAS TERMODINÁMICOS EN EL HOGAR O EMPRESA EN DONDE TRABAJEN

Para cada sistema termodinámico se debe: Indicar el tipo de sistema que es: isotérmico, isobárico, isocórico o adiabático. Del

total, debe haber al menos uno de cada uno. Calcular consumos energéticos para cada uno de los cinco sistemas en donde

quede claro el procedimiento paso por paso utilizado. Para cada uno de los cinco sistemas termodinámicos en el hogar o empresa, en

donde aplique, se debe realizar un cálculo de trabajo.

Solución: Indicar el tipo de sistema que es: isotérmico, isobárico, isocórico o adiabático. Del

total, debe haber al menos uno de cada uno.

Proceso isotérmico:1. La compresión o expansión de un gas ideal en contacto permanente con

un termostato.Un termostato es un componente de un sistema de control empleado para mantener temperatura en un punto.

2. Cuando el agua está en el congelador para hacer hielos el cambio de fase... o sea, cuando pasa de líquido a solido, la temperatura se mantiene constante a cero grados Celsius pero cambian sus propiedades de volumen.

Proceso isobárico:1. El agua que hierve en un recipiente abierto a la atmósfera.

Trabajo sistema isobárico (proceso donde la presión se mantiene constante)Ej. El agua que hierve en un  recipiente abierto a la atmosfera

2. Tenemos un litro de agua en un reciente la temperatura inicial el agua es de 14 oC y la final de 20 oC, la presión se mantiene constante.

3. Se tiene que la temperatura inicial el agua esta en fase liquida punto de fusión  y luego de los 20ºC de temperatura empieza evaporarse esta es la fase de ebullición.H2O    H=1 X2= 2                           T inicial= 14oC T final = 20oC 

           O=16X1=16                                                      18g                    Proceso isocorico:El proceso térmico que se desarrolla en una olla presión de uso doméstico, desde el momento que se coloca al fuego hasta que escapa por primera vez aire a través de la válvula, corresponde a un proceso a volumen constante.

1. Cocinar en una olla a presión.2. Disolver azúcar en el café.

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 Trabajo sistema isocórico (proceso donde se mantiene fijo el volumen) En un proceso que se efectúa a volumen constante sin que haya ningún desplazamiento, el trabajo hecho por el sistema es cero.

3. Tenemos una olla a presión la cual es hermética la temperatura inicial del agua es de 15oC, y la temperatura final donde alcanza el punto de equilibrio entre vapor y agua es de 100oC.El Cv constante del agua es 1,403KJ/kgk según tablas y diagramas termodinámicos1. 1atm de presiónH2O   H= 1X2 = 2                             O=16X1=16                                                             18g                                                                                                         

Proceso adiabático:1. La emisión de aerosol por un pulverizador, acompañada de una

disminución de la temperatura del pulverizador2. Conservación de alimentos a bajas temperaturas.3. Fabricación de nieve artificial por la máquina.4. La temperatura que podría alcanzar una llama si no hubiera pérdida de

calor hacia el entorno.5. El termo ya que tiene muy pocas pérdidas siempre que no se abra.6. Una botella de champán.

Calcular consumos energéticos para cada uno de los cinco sistemas en donde quede claro el procedimiento paso por paso utilizado.

Ejercicio 1: A una taza de té recién preparado (150 gr.) con agua hirviendo se le agrega un poco de leche fría a 2ºC sacada del refrigerador. ¿Cuánta leche debo agregar para que el té con leche quede a 85ºC? Cp del agua = 1 cal/gr. K y Cp de la leche = 0.8 cal/gr. K SoluciónSe aplica la primera ley para sistemas cerrados (masa inicial 150gr. + mL) dU = ∂Q - ∂w dH – PdV – VdP = ∂Q - PdV PdV se cancelan y VdP se anula porque dP=0 P es cte.) ∂Q = dH y si suponemos que no hay pérdidas de calor dH=0 Como hay dos sustancias l(leche y agua) es conveniente separa el proceso en dos: “lo que le pasa” al agua y “lo que le pasa” a la leche: ∆H = ∆HA + ∆HL∆H = mA∆HA+mL∆L=0Donde Q=c.m.∆T se despeja mL quedando mL = -mA [∆HA/∆HL] = -mA [ČPA(T2A-T1A)/ ČPL(T2L-T1L)] Reemplazando valores: m_A=150grC_PA=1cal/gr

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C_PL=0.8cal/grT_1A=100ºC=373ºKT_2A=85ºC=358ºKT_1L=2ºC=275ºKT_2L=85ºC=358ºKm_L=-150*[(1*(358-373))/(0.8*(358-275) )]m_L=33.89grEjercicio 2: Debo calentar 1 lt. (1 Kg.) De agua contenida en una tetera desde la temperatura del agua de la llave (T1) hasta que el agua hierva (T2). T1=20ºC y T2=100ºC a) ¿Cuánta energía en forma de calor debo agregar? Solución partimos de la ecuación Q=c.m.∆TCon T1=20ºC (293K), T2=100ºC=373K y ČP=1 (cal/gr. K), resulta Q=1000gr*1cal/grK*(373ºk-293ºk) Q = 80000 cal

Ejercicio 3: Se calentó un carbón para un asado sobre una mesa cuya superficie es de mármol y su masa es de 20 kg, si la temperatura a la que ha quedado es de 150ºC , determinar el calor perdido hasta que la placa de la mesa de mármol llegue a la temperatura ambiente de 20ºC.Solución Partimos de la ecuación Q=c.m.∆TCon T1=20ºC (293K), T2=100ºC=373K y Čm=0.21 (cal/gr. K), resulta Q=20000gr*0.21cal/grK*(293ºk-423ºk) Q = 546000 cal Ejercicio 4: Debo enfriar 250 ml. de jugo (aprox 0.25 Kg.) contenido en un envase desde la temperatura ambiente (T1) 26ºC, hasta los 4ºC (T2). T1=26ºC y T2=4ºC a) ¿Cuánta energía en forma de calor debe perder el jugo? Solución a) Partimos de la ecuación Q=c.m.∆TCon T1=20ºC (293K), T2=100ºC=373K y ČP=1 (cal/gr. K), resulta Q=1000gr*1cal/grK*(373ºk-293ºk) Q = 80000 cal

Ejercicio 5:

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Para calentar de manera rápida el almuerzo en la zona de bienestar de la empresa se tienen dos hornos microondas cada uno con 1200W de potencia son utilizados durante 30 minutos al día. Calcular el consumo energético de estos durante 15 dias.E = Potencia X tiempoE =2400 Watts X 0.50 horaE =1200 Wh al díaE =2100 Wh = 1.2 KWh por día-----------1000E (KWh) =1.2 KWh/ día X 15 diasE = 18 KWh/15 dias

Ejercicio 6:

En el centro de vacunación (acopio local) se cuentan con tres neveras horizontales para la conservación de vacunas cada una cuenta con una potencia aproximada de 240 watts, para verificación por auditoria se requiere saber el consumo energético de estas durante los últimos 8 meses. E = Potencia X tiempoE =720 Watts X 8 horasE =5760 Wh al díaE =5760 Wh = 57.6 KWh por día-----------1000E (KWh) =57.6 KWh/ día X 240 diasE = 13824 KWh/240 dias

Ejercicio 7:

Cuánto es el consumo de energía un ventilador de techo sin lámparas si se utiliza 8 horas diarias durante un mes. La potencia del ventilador es de 65 watts.E = Potencia X tiempoE =65 Watts X 8 horasE =520 Wh al díaE =5760 Wh = 0.52 KWh por día-----------1000E (KWh) =0.52 KWh/ día X 30 diasE = 15.6 KWh/30 dias

Ejercicio 8:

En la sala de cirugía hay un electro bisturí de 300 watts se requiere calcular su consumo de energía bimensual teniendo en cuenta que usa 30 minutos al día.E = Potencia X tiempoE =300 Watts X 0.50 horasE =300 Wh al día

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E =150 Wh = 0.15 KWh por día-----------1000E (KWh) =0.52 KWh/ día X 60 diasE = 31.2 KWh/60 diasEjercicio 9:

En el hospital se compraron 8 bombillas halógenas marca sylvania de 250 watts cada una para equipos biomédicos se quiere saber cuál sería el consumo semestral de estos si se utilizan durante 8 horas diarias?

E = Potencia X tiempoE =2000 Watts X 8 horasE =16000 Wh al díaE =16000 Wh = 16 KWh por día-----------1000E (KWh) =16 KWh/ día X 180 diasE = 2880 KWh/180 dias

Ejercicio 10:

Electrodoméstico Potencia Sistema

Licuadora 300w Isotérmico y Adiabático

El consumo energético de los electrodomésticos se calculara en 30 hora/mes, quiere decir, que utilizándolo una hora todos los días por un mes.

E = potencia x tiempo

Hay que pasar la potencia a Kw entonces se divide por 1000

Para cada uno de los cinco sistemas termodinámicos en el hogar o empresa, en donde aplique, se debe realizar un cálculo de trabajo

Ejemplo 1: Una olla a presión es un sistema termodinámico donde el volumen será constante. Este proceso se conoce como isocórico. Sin embargo se tiene que para un proceso sin variación de trabajo.

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W=0Ejemplo 2: En un termo adiabático se da la compresión de aire la cual requiere un trabajo exterior de 350 kJ que lo provee un motor eléctrico, para 1 mol a 300 K y 100 kPa. Cual será su energía interna? Será un proceso isotérmico? Cual es el precio del proceso?Solución: Se tiene por primera ley que Q-W=∆UAl ser adiabático la transferencia de calor es cero, por tanto -W=∆U-(-350 J)=350=∆UAl existir cambio de energía interna, el sistema no es isotérmico Se tiene con anterioridad que para energía eléctrica0.076 pesos/kJPor tanto350 J (1kJ/1000J)(0.076 pesos/kJ)=0.03 pesosEjemplo 3: Ejemplo de adiabático Conservación de alimentos a bajas temperaturas.El gas, no permite el cambio de calor con los alrededores, se somete a una comprensión, disminuyendo su volumen de 0.0008 a 0.003m3. Si se mantuvo durante el proceso, una presión constante de 3 atmosfera, calcular. El trabajo mecánico que se realizo sobre el sistema la variación de energía interna.Pr= 3 atmósferaVi = 0.0008m3Vf = 0.003mTr = ?

J△E = ?Q = 0Pr = 3atm 1013*10 Pa = 3039 * 10 N/mTr= Pr (Vf – Vi) 3039 * 10N/m (0,003m-0.008m) = (-0.005m) = 1519NM = 1519Ejemplo 4: Ejemplo Isocórico Un volumen de aire atmosférico contenido en un balón de vidrio herméticamente cerrado, es calentado por baño de maría para observar el funcionamiento de las variables temperatura y presión.No. Presión mmHg Temperatura1 43 35.62 61 37.23 90 43.54 110 48.3

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Ley de Gay Lussac. La presión de un gas contenido en un recipiente, es directamente proporcional a la temperatura manteniendo su volumen constanteEjemplo 5: Ejemplo de proceso isotérmico, ¿Cuál es el trabajo (J) si 0.025 moles de N2 a temperatura constante de 230C se expande? W = Nrt in =0.225mol/oK * 296K in 878/728= 103.6 juliosAU = 0△V = Q – W Q = W PV= n RT 0.75VA = 022 * 0.082.296VA= 7.28 LitrosVA = 878

3. COMPARACIÓN DEL CONSUMO REAL DE ENERGÍA ELÉCTRICA CON EL CONSUMO REAL DE GAS PARA HERVIR UN LITRO DE AGUA

Recuerde utilizar el editor de fórmulas que trae incorporado Word (haga doble clic en la

fórmula):

Para realizar esta comparación respecto al calentamiento de un litro de agua, ya previamente teníamos el valor energético de este calentamiento 80000cal. Por tanto lo faltante es extrapolar este dato al valor en gas y en energía eléctrica.Gas Tenemos 80kcalEste es el calor que ofrece el gas en su combustión, así mismo de la factura del gas tenemos el valor del metro cubico en 675.848 pesos/m380Kcal m^3/9635Kcal=0.0083 m^30.0083 m^3 ((675.848 pesos)/(1 m^3 ))=5.61 pesosEléctricoDe la factura de energía tenemos el valor del kwh en 272.14 pesos/Kwh80 Kcal(4.187Kj/1Kcal)=334.96 Kj272.14 pesos/kWh (1kWh/(1KJh/seg (3600seg/1h) ))=0.076 pesos/kJ 334.96 Kj(0.076 pesos/kJ )=25.45 pesosEs evidente que el gas es más barato, calentar eléctricamente el agua es aproximadamente cinco veces más costoso que calentar con gas.CONSUMO DE GAS PARA HERVIR 1LITRO DE AGUATomando la medida inicial en el medidor este marcaba 00929.68m3, al terminar de hervir el agua se tomo la nueva lectura del medidor y este marcaba 009296.84m3.Dado lo anterior tenemos que el consumo de gas domiciliar fue 0.16m3Si tenemos que

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1m3 de gas=11.7977kwH0.16m3 de gas=1.8876kwH1kwh=3600kj 1.8876kwH=6795.475kJ=6795475jpor lo tanto 6795475*1cal/4.184J=1624157.55cal=1624.16kcalDe acuerdo a lo anterior tenemos que el consumo energético para hervir 1 litro de agua con gas es de 1624.16kcalCONSUMO DE ENERGIA ELECTRICA PARA HERVIR 1LITRO DE AGUATomando la medida inicial en el medidor este marcaba 26291.1kwh, al terminar de hervir el agua se tomo la nueva lectura del medidor y este marcaba 26292.1kwh.Dado lo anterior tenemos que el consumo de energía eléctrica fue 1.0kwhSi tenemos que 1.0kwH=3600kJ=3600000jpor lo tanto 3600000*1cal/4.184J=860420.65cal=860.42kcalDe acuerdo a lo anterior tenemos que el consumo energético para hervir 1 litro de agua con energía eléctrica es de 860.42 kca

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CONCLUSIONES

La termodinámica es una de las principales ciencias que nos ayuda a entender la importancia de la energía en forma de calor, y nos ayuda a clarificar la manera cómo podemos involucrarlo de forma práctica y directa en nuestra vida. Además del calor, también el trabajo y las propiedades de las sustancias que están involucrados en todo el conjunto de conceptos que esta encierra.

Estrictamente la termodinámica fue planteada como una ciencia universal que ayuda a establecer las relaciones entre las distintas formas de energía, estudia los procesos en los que hay transferencia de energía como calor y trabajo, y las relaciones que se dan entre los fenómenos dinámicos y caloríficos (la base de la termodinámica).

Se aplicaron algunas formulas para trabajar con ejercicios de la vida cotidiana, en los cuales se hallaron los valores de los cambios energéticos y tasas de transferencia en los cuales se pudo evidenciar la gran variación de energía aun con pequeños cambios de temperatura.

La realización de esta actividad me permitió conocer y profundizar sobre la estructura y las temáticas que corresponden al estudio del curso de termodinámica, entendiendo la importancia, la necesidad y el impacto que estos conocimientos generan en nosotros ya que nos ayuda a prepararnos tanto física como mentalmente para desarrollar de manera eficaz la asimilación de los conceptos que posteriormente vamos a ir adquiriendo en la Segunda Unidad con propuesta en el curso de termodinámica.

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BIBLIOGRAFÍA

(Cengel, Y. & Boles M., (2009). TERMODINAMICA (sexta Edición), 1-51 /Módulo – TERMODINAMICA Universidad Abierta y a Distancia/http://66.165.175.205/campus12/mod/resource/view.php?id=516Página de Internet únicos/http://www.youtube.com/watch?v=8KiD-cp1dKk&noredirect=1

Millán, J. A. (s.f.). Psicrometría. Obtenido de http://www.sc.ehu.es/nmwmigaj/CartaPsy.htm

National Institute of Standars and Technology. (s.f.). Nist Thermodynamics Properties of Refrigerants and Refrigerant Mixtures. Obtenido de http://www.tecnun.es/asignaturas/termo/SOFTWARE/SoftTD.htm

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