IIQ 302TERMODINÁMICA QUÍMICA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA GUÍA DE EJERCICIOS 2 UNIVERSIDAD DE LA FRONTERA LEYES TERMODINÁMICAS 1. ¿Cuál es la diferencia entre líquido saturado y líquido comprimido? 2. ¿Cuál es la diferencia entre vapor saturado y vapor sobrecalentado? 3. ¿Hay diferencia entre las propiedades intensivas del vapor saturado a determinada temperatura, y del vapor que forma parte de un vapor húmedo a la misma temperatura? 4. Si aumenta la presión de una sustancia durante un proceso de ebullición ¿aumentará también la temperatura, o permanecerá constante? ¿Por qué? 5. ¿Por qué la temperatura y la presión son propiedades interdependientes en la región de vapor húmedo? 6. ¿Cuál es la diferencia entre punto crítico y punto triple? 7. ¿Es posible tener vapor de agua a –10 °C? 8. Una señora cocina carne para su familia, en una cacerola a) destapada, b) tapada con una tapa ligera y c) tapada con una tapa pesada. ¿En cuál caso será más corto el tiempo de cocinado? ¿Por qué? 9. ¿En qué difiere el proceso de ebullición a presiones supercríticas del proceso de ebullición a presiones subcríticas? 10. Una olla con tapa que ajusta perfectamente, se pega con frecuencia después de cocinar, y es muy difícil destaparlacuando la olla se enfría. Explique por qué sucede eso, y qué haría para quitar la tapa. 11. Se sabe bien que el aire caliente en un ambiente frío sube. Ahora imagine una mezcla caliente de aire y gasolina, en la parte superior de un recipiente con gasolina. ¿Cree usted que esta mezcla sube en un ambiente más frío? 12. ¿Qué proceso requiere más energía: evaporar por completo 1 kg de agua líquida saturada a 1 atm de presión o evaporar por completo 1 kg de agua líquida saturada a 8 atm de presión? 13. Complete las tablas para el agua: 14. Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 0.85 kg de refrigerante 134a, a -10 °C. El émbolo tiene movimiento libre, y su masa es 12 kg, con diámetro de 25 cm. La presión IIQ 302 TERMODINÁMICA QUÍMICA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA GUÍA DE EJERCICIOS 2 UNIVERSIDAD DE LA FRONTERA LEYES TERMODINÁMICAS atmosférica local es 88 kPa. Se transfiere calor al refrigerante 134a hasta que su temperatura es 15 °C. Determine a) la presión final, b) el cambio de volumen del cilindro y c) el cambio de entalpía en el refrigerante 134a. 15. Refrigerante 134a, cuyo volumen específico es 0.4618 pies3/lbm, fluye por un tubo a 120 psia. ¿Cuál es la temperatura en el tubo? 16. Un kilogramo de agua llena un depósito de 150 L a una presión inicial de 2Mpa. Después se enfría el depósito a 40 °C. Determine la temperatura inicial y la presión final del agua. 17. Una libra-masa de agua llena un dispositivo cilindro-émbolo de peso conocido de 2.4264 pies3, a una temperatura de 600 °F. El dispositivo cilindro-émbolo se enfría ahora hasta que su temperatura es 200 °F. Determine la presión final del agua, en psia, y el volumen en pies3. Respuestas: 250 psia, 0.01663 pies3. 18. Agua, inicialmente a 300 kPa y 250 °C, está contenida en un dispositivo cilindro- émbolo provisto de topes. Se deja enfriar el agua a presión constante hasta que adquiere la calidad de vapor saturado, y el cilindro está en reposo en los topes. Luego, el agua sigue enfriándose hasta que la presión es de 100 kPa. En el diagrama T-v , con respecto a las líneas de saturación, las curvas de proceso pasan tanto por los estados inicial e intermedio como por el estado final del agua. Etiquete los valores de T, P y v para los estados finales en las curvas del proceso. Encuentre el cambio total en energía interna entre los estados inicial y final por unidad de masa de agua. 19. Mediante una estufa eléctrica se hierve agua a 1 atm de presión, en una olla de acero inoxidable con 25 cm de diámetro interior. Se observa que el nivel del agua baja 10 cm en 45 min; calcule la tasa de transferencia de calor a la olla. 20. Se calienta agua en un dispositivo de cilindro-émbolo vertical. La masa del émbolo es 20 kg, y su área transversal es 100 cm2. La presión atmosférica local es 100 kPa. Determine la temperatura a la que comienza a hervir el agua. 21. Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 0.8 kg de vapor de agua a 300 °C y 1 MPa. El vapor se enfría a presión constante, hasta que se condensa la mitad de su masa. a) Muestre el proceso en un diagrama T-v. b) Calcule la temperatura final. c) Determine el cambio de volumen. 22. En un principio, 100 g de refrigerante 134a llenan un dispositivo de cilindro-émbolo con carga constante, a 60 kPa y -20 °C. A continuación se calienta el dispositivo hasta que su temperatura es 100 °C. Determine el cambio en el volumen del dispositivo como resultado del calentamiento. Respuesta: 0.0168 m3 23. Un recipiente de 0.5 m3 contiene 10 kg de refrigerante 134a a –20 °C. Determine a) la presión, b) la energía interna total y c) el volumen ocupado por la fase líquida. Respuestas: a) 132.82 kPa, b) 904.2 kJ, c) 0.00489 m3. 24. ¿Es siempre cero el trabajo de la frontera asociado con los sistemas de volumen constante? 25. Un gas ideal se expande de un estado especificado hasta un volumen final fijo dos veces, primero a presión constante y después a temperatura constante. ¿Para cuál caso el trabajo efectuado es mayor? 26. El volumen de 1 kg de helio, en un dispositivo de cilindro-émbolo, es 7 m3, en un principio. A continuación, el helio se comprime hasta 3 m3, manteniendo constante su presión en 150 kPa. Determine las temperaturas inicial y final del helio, así como el trabajo requerido para comprimirlo, en kJ. IIQ 302 TERMODINÁMICA QUÍMICA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA GUÍA DE EJERCICIOS 2 UNIVERSIDAD DE LA FRONTERA LEYES TERMODINÁMICAS 27. Calcule el trabajo total, en kJ, producido por el proceso Ej. 27 isotérmico de la figura, cuando el sistema consiste de 3 kg de oxígeno. 28. Un dispositivo de cilindro-émbolo, con un grupo de topes, contiene inicialmente 0.3 kg de vapor de agua a 1.0 MPa y 400 °C. El lugar de los topes corresponde al 60 por ciento del volumen inicial. Entonces, se enfría el vapor de agua. Determine el trabajo de compresión, si el estado final es a) 1.0 MPa y 250 °C, y b) 500 kPa. c) También determine la temperatura del estado final en el inciso b). 29. Se expande isotérmicamente 1 m3 de agua líquida saturada a 200 °C en un sistema cerrado hasta que su calidad llega a 80 por ciento. Determine el trabajo total producido por esta expansión, en kJ. 30. Determine el trabajo de frontera realizado por un gas durante un proceso de expansión si los valores de presión y volumen se miden en diversos estados como 300 kPa, 1 L; 290 kPa, 1.1 L; 270 kPa, 1.2 L; 250 kPa, 1.4 L; 220 kPa, 1.7 L, y 200 kPa, 2 L. 31. Durante unos procesos reales de expansión y compresión en dispositivos de cilindro- émbolo, Se ha observado que los gases satisfacen la relación PV n=C, donde n y C son constantes. Calcule el trabajo efectuado cuando un gas se expande de 350 kPa y 0.03 m3, hasta un volumen final de 0.2 m3, para el caso en que n=1.5 32. Complete cada renglón de la siguiente tabla, con base en el principio de conservación de la energía para un sistema cerrado. 33. Un sistema cerrado se somete a un proceso en el que no hay cambio de energía interna. Durante este proceso, el sistema produce 1.1*106 lb.pie de trabajo. Calcule la transferencia de calor para este proceso, en Btu. 34. Un recipiente rígido bien aislado contiene 2 kg de un vapor húmedo de agua, a 150 kPa. En un principio, tres cuartos de la masa están en la fase líquida. Una resistencia eléctrica colocada en el recipiente se conecta con un suministro de voltaje de 110 V, y pasa una corriente de 8 A por la resistencia, al cerrar el interruptor. Determine cuánto tiempo se necesitará para evaporar todo el líquido en el recipiente (Ojo: 𝑊 = 𝑉𝐼∆𝑡). También muestre el proceso en un diagrama T-V con respecto a líneas de saturación. 35. Se condensa isotérmicamente vapor saturado a 200 °C hasta líquido saturado, en un dispositivo de cilindro-émbolo. Calcule el calor transferido y el trabajo efectuado durante este proceso, en kJ/kg. Respuestas: 1940 kJ/kg, 196 kJ/kg 36. Un recipiente rígido de 10 L contiene inicialmente una mezcla de agua líquida y vapor a 100 °C con calidad de 12.3 por ciento. Luego se calienta la mezcla hasta que su temperatura es de 150 °C. Calcule la transferencia de calor necesaria para este proceso. Respuesta: 46.9 kJ. 37. Una masa fija de vapor saturado de agua a 300 kPa se enfría isotérmicamente hasta que se convierte en un líquido saturado. Calcule la cantidad de calor rechazado durante este proceso, en kJ/kg. IIQ 302 TERMODINÁMICA QUÍMICA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA GUÍA DE EJERCICIOS 2 UNIVERSIDAD DE LA FRONTERA LEYES TERMODINÁMICAS 38. Dos recipientes, el recipiente A y el recipiente B, están separados por una división. En un principio, el tanque A contiene 2 kg de vapor de agua a 1 MPa y 300 °C, mientras que el recipiente B contiene 3 kg de vapor húmedo de agua, a 150 °C, con 50 por ciento de fracción de masa de vapor. Entonces se quita la división, y se deja mezclar los dos lados, hasta que se establece el equilibrio mecánico y térmico. Si la presión del estado final es 300 kPa, determine a) la temperatura y la calidad del vapor (si es un vapor húmedo) en el estado final, y b) la cantidad de calor perdida de los recipientes.