Termodinámica 2003                

Practica

Unidad Temática 1                                  

CONCEPTOS FUNDAMENTALES

 

I) PRESION Y TEMPERATURA

Problema I - 1.

Un medidor de vacío conectado a un tanque registra 30 kPa en un sitio donde la lectura barométrica es de 755 mmHg . ¿cuál es la presión absoluta en el tanque?

Respuesta: 70,6 kPa

 

Problema I - 2

El barómetro de un montañista registra 930 mbar al principio de un ascenso y  780 mbar al final. Desprecie el efecto de la altitud sobre la aceleración gravitacional local y determine la distancia vertical ascendida. Suponga la densidad del aire promedio igual a 1,2 kg/m3 y tome g = 9,7 m/s2.

Respuesta: 1288,65 m

 

Problema I - 3

Un gas está contenido en un dispositivo de cilindro-émbolo vertical sin fricción. El émbolo tiene una masa de 4 kg y un área de sección transversal de 35 cm2. Un resorte comprimido ejerce sobre el émbolo una fuerza de 60N. Si la presión atmosférica es de 95 kPa, determine la presión dentro del cilindro.

Respuesta:123,34 kPa

 

Problema I - 4

La temperatura de un sistema aumenta 60 ºF durante un proceso de calentamiento. Exprese este aumento de temperatura en R, K y ºC. Si la temperatura inicial es de 80 ºC, exprese la temperatura final R, K y ºC.

Respuesta: incremento 33,3ºC; Tf 113,3 ºC

 

Problema I - 5

La presión atmosférica promedio sobre la tierra se aproxima como una función de la altitud por medio de la relación

Po = 101,325(1-0,02256z)^5,256

Donde Po es la presión atmosférica en kPa y z la altitud en kilómetros sobre el nivel del mar. Determínese la presión en la ciudad de México ( 2309 m sobre el nivel del mar), y en la cima del Monte Everest (8848 m)

Respuesta:76,5 Kpa; 31,4 Kpa

 

Problema I - 6

Encontrar la temperatura en grados Kelvin, Rankine y Fahrenheit, del punto de ebullición normal del agua, 100 °C.

 

Problema I - 7

a)      Cuál es la relación entre las unidades de temperatura Celsius y Kelvin.

b)     La escala de Rankine representa una unidad mayor o menor que la Kelvin? Haga un esquema que muestre las relaciones entre las escalas Kelvin, Rankine, Celsius y Fahrenheit.

 

Problema I - 8

Hallar la presión absoluta de los siguientes ejemplos:

a)      una cámara de automóvil donde la presión manométrica es de 15 bar.

b)      el aire de una habitación.

c)      un recipiente donde se tiene un vacío relativo de 60 mm Hg.

En todos los casos la presión atmosférica es igual a 0,1 Mpa.

Respuesta: 0,115 MPa; 0,1 MPa; 0,092 MPa

 

II) ECUACIONES DE ESTADO. TABLAS DE VAPOR

Problema II - 1

Un tanque rígido contiene 10 kg de aire (g.i.) a 150 kPa y 20ºC. Se añade mas aire al tanque hasta que la presión y la temperatura aumentan a 250 kPa y 30 ºC. Determine la cantidad de aire agregado. (Las presiones están indicadas en escala absoluta)

Respuesta: 6,11 kg.

 

Problema II - 2

Se deja que vapor de agua sobrecalentado a 1 Mpa y 300ºC se enfríe a volumen constante hasta que la temperatura descienda a 150ºC. En el estado final determine la presión, la temperatura y el título. Grafique el proceso en el plano p-v.

Respuesta: 475,8 kPa, x=0,6556

 

Problema II - 3

Un recipiente rígido contiene 2 kg de refrigerante 12 a 900 kPa y 80ºC. Determine el volumen del recipiente (usar la ecuación de estado para gases ideales) (R=0,0688 kPa*m3/(kg*K)

Respuesta:  0,054 m3

 

Problema II - 4

Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 0,1 m3 de agua líquida y 0,9 m3 de vapor de agua en equilibrio a 800 kPa. Se transfiere calor a presión constante hasta que la temperatura alcanza 350ºC. Determine:

a)      la temperatura inicial.

b)      la masa total de agua.

c)      el título inicial.

d)      el volumen final.

e)      grafique el proceso en un plano p-v.

Respuesta: a) 170,43°C; b) 93,44 Kg; c) 0,04; d) 33,11 m3

 

Problema II - 5

Determine el volumen específico del vapor de agua a 10 Mpa y 400ºC usando:

a)      la ecuación de gas ideal.

b)      el método del coeficiente z.

c)      las tablas de vapor

d)      Considerando exacto este último valor, determine el error cometido con los anteriores.

Respuesta: a) 0,03109 m3/Kg; b) 0,02611 m3/Kg; c) 17,7% - 1,13%

 

Problema II - 6

Se tiene nitrógeno en el siguiente estado: 10 Mpa y 150K. Calcular su volumen específico mediante:

a)      la ecuación de estado de gases ideales.

b)      el método del coeficiente z.

c)      Compare el resultado con el valor experimental de 0,002388 m3/kg

Respuesta: 0,004449 m3/Kg; 0,002404 m3/Kg.

 

Problema II - 7

Se tiene nitrógeno en el siguiente estado: 150K ocupando un volumen específico de 0,041884 m3/Kg. Calcular su presión utilizando:

a)      la ecuación de los gases ideales.

b)      la ecuación de Beattie-Bridgeman

c)      Comparar los resultados con el valor experimental de 1000 kPa

Respuesta: 1062 KPa; 998,8 KPa.

 

Problema II - 8

Un tanque de 1 m3 contiene 2841 Kg de vapor de agua a 0,6 Mpa. Determinar la temperatura utilizando:

a)      la ecuación de los gases ideales.

b)      la ecuación de Van der Waals

c)      tablas de vapor.

Respuesta: 457,23 K; 465,6 K; y 473 K

 

Problema II – 9

Determine el volumen molar del n-butano a 510 K y 25 bar mediante:

a)      la ecuación de los gases ideales.

b)      la ecuación de Redlich / Kwong

c)      la correlación generalizada del factor de compresibilidad

d)      la correlación generalizada de coeficientes viriales

e)      Comparar con el valor experimental 1480,7 cm3 / mol

Respuesta: a) 1696,1 cm3 / mol; b) 1462 cm3 / mol; c) 1479 cm3 / mol; d) 1489,1 cm3 / mol

 

Problema II – 10

Calcular la variación de volumen molar del vapor sobrecalentado de 1 buteno al pasar del Estado I (477,4 K y 68,1 atm) al Estado II (521,9 K y 68,1 atm), utilizando la ecuación de Peng –Robinson. Comparar con el resultado experimental de 138,8 cm3 / mol..

 

 

 

Estado I

Estado II

V [cm3 / mol]

303,10

441,9

H [cm3 / mol]

8297,30

10204,40

S [cm3 / mol]

21,437

25,284

 

III) MEZCLAS DE GASES

 

Problema III – 1

La composición gravimétrica del aire seco es: nitrógeno, 75,58%; oxígeno, 23,08%; argón, 1,28%; dióxido de carbono, 0,06%. Determinar: a) la masa molecular aparente de la mezcla. b) la constante particular. c) las presiones parciales. (la presión total es igual a 760 mmHg.)

 

 

 

Problema III - 2

Calcular los parámetros seudorreducidos de presión y temperatura para el ejercicio anterior, considerando una temperatura de la mezcla igual a 30ºC.

 

Problema III – 3

Estimar el segundo coeficiente virial del aire a 300 K. (nota: se recomienda utilizar la correlación de Praunsnitz, ampliación de la correlación de Pitzer)

 

Problema III – 4

Estimar el volumen molar una mezcla gaseosa de composición molar 0,85147 CH4 y 0,14853 C2H6 A 110,08 Ky 0,96422 atm, utilizando la ecuación de Peng –Robinson. Comparar con el valor experimental es 38,835 cm3 / mol.