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Trabajo termodinamica, con solucion de ejercios elaborados para esta materia de enfasis de ingeneria
Tipo: Ejercicios
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1. Realice las siguientes conversiones de unidades: a. Convertir 7500BTU/lb a kJ/kg 7500 BTU lb ∗1.05506 kJ 1 BTU ∗2.20462 lb 1 kg
kJ kg b. Convertir una cantidad de calor igual a los primeros cuatro dígitos de su cédula de BTU/h a W. 1016
h
h
c. Convertir un flujo igual al número de su grupo colaborativo de galones/min a m^3 /h.
galones min
− 5 m 3 s 1 gal / min
m 3 s d. Convertir un flujo de energía igual a su edad en kcal/min a J/s 28 kcal min
s 0.014 kcal / min
s
2. Una turbina de gas adiabática expande aire a 1 000 kPa y 500°C hasta 100 kPa y 150°C. A la turbina entra aire por una abertura de 0.2 m^2 , con una velocidad promedio de 40 m/s, y sale por una abertura de 1m^2. Determine: 2.1. El flujo de masa de aire que atraviesa a turbina 2.2. La potencia que produce la turbina. De las tablas termodinámicas (A-17) tenemos que:
h 1 =789. kJ kg h 2 =426. kJ kg Como la sustancia es aire podemos utilizar la ecuación de gases ideales: υ 1 =
m 3 kg 1.1 Flujo de masa de aire: ´ m ´=
υ 1
kg seg 1.2 Potencia de la turbina
3. Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 0.25 kg de aire, en un principio a 1. MPa y 375°C. Primero se expande el aire isotérmicamente hasta un valor igual a los últimos tres dígitos de su cédula en kPa. Después, el mismo gas se comprime en un proceso politrópico con un exponente politrópico de 1.4, hasta la presión inicial; por último, se comprime a presión constante hasta llegar a la temperatura inicial. Con base en esta información realice los siguientes pasos: 3.1. Dibuje el recorrido del gas en cada uno de sus pasos en un diagrama Presión – Temperatura (PT). 3.2. Investigue la ecuación de trabajo que aplicaría en cada uno de los pasos, se recomienda revisar las páginas 166 a la 173 en el libro guía del curso Termodinámica de Yunus Cengel que se encuentra en el Entorno de Conocimiento. 3.3. Calcular el trabajo para cada uno de los procesos usando en cada caso la ecuación seleccionada. 3.4. Calcular el trabajo neto del ciclo que realiza el gas, para este paso solo se requiere sumar el trabajo calculado en cada uno d ellos procesos anteriores.
Proceso 2- P 2 V (^) 2
=7. V (^) 3 = (
P 3 )^ 1 1.4=0.023 m^3 W (^) 23 =
=30.01 kJ Proceso 3- V (^) 4 =
=0.031 m 3
WT =66.24 kJ
4. Este punto ha sido diseñado para que usted comprenda los diferentes estados de la materia mediante una actividad en línea que le permitirá explorar los cambios que sufre una sustancia en las propiedades de temperatura y presión cuando es sometida a diferentes alteraciones. Allí encontrará una herramienta como la que se presenta en la siguiente imagen:
Usando la herramienta, debe realizar los siguientes pasos: 4.1 Seleccione la sustancia que más le llame la atención en el tablero de la parte superior derecha. 4.2 Comprima el gas bajando la tapa del cilindro hasta que el gas ya no resista, registre la temperatura y presión a la cual pudo llegar. 4.3 Aumente el flujo de gas hasta lograr una cantidad considerable dentro del cilindro, disminuya la temperatura hasta que pueda ver las moléculas de gas organizadas en fase sólida, registre temperatura y presión en ese punto. 4.4 Manipule la tapa del cilindro y el calentador libremente y escriba un párrafo corto indicando lo que pudo observar sobre el comportamiento de las moléculas de gas. Para este ejercicio se seleccionó argón como sustancia a trabajar, comprimiendo el gas hasta el límite se pudo observar que la presión y la temperatura llegaron hasta unos 200 atm y 415 K. Aumentando bastante el flujo de gas, se logró registrar una presión de 3 atm y una temperatura de 2K. Finalmente, se observa que mientras mas se caliente o se aumente la presión dentro del cilindro, las partículas se moverán a mayor velocidad en estado gaseoso, caso contrario cuando se disminuye la temperatura y presión, las partículas tenderán a permanecer en estado sólido.
Una caldera produce vapor recalentado o de alta a un flujo de 20kg/s, este vapor se emplea para algunos procesos propios de la planta. La caldera es alimentada con agua que proviene de una cámara de mezclado. Parte del vapor de alta que sale de la caldera va a una turbina a 6.5MPa y 520°C, la otra parte, se dirige a una válvula de expansión donde se estrangula hasta 480kPa y luego se dirige a un calentador. En la turbina , el vapor disminuye su presión considerablemente, cuando llega a una presión de 480 kPa, una parte del vapor se retira y se conduce hacia el calentador. La turbina sigue funcionando con el resto del vapor, cuando se alcanza una presión de 5kPa, esta fracción de vapor se retira y se conduce hacia un condensador que opera a presión constante. En el condensador , el vapor pasa a fase líquida y luego ingresa a una bomba que se encarga de impulsarlo hasta la cámara de mezclado a una presión de 6. MPa. El calentador tiene una única salida de líquido saturado a 500kPa, al salir, el líquido es conducido a una segunda bomba que lo lleva hasta 6.5MPa y lo impulsa hacia la cámara de mezclado.