Termodinámica Química I Segundo Parcial 2017 - 1S 1. Calcule z y V para el etano a 50°C y 15 bar con las siguientes ecu
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Termodinámica Química I Segundo Parcial 2017 - 1S 1.
Calcule z y V para el etano a 50°C y 15 bar con las siguientes ecuaciones: a) La ecuación del virial truncada con los siguientes valores experimentales para los coeficientes viriales: B = -156.7 cm3 mol-1 y C = 9 650 cm6 mol-2 b) La ecuación de Redlich/Kwong, con estimaciones de a y b
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Con una buena aproximación, ¿cuál es el volumen molar del vapor de etanol a 480°C y 6 000 kPa? ¿Cómo se compara este resultado con el valor que corresponde a un gas ideal? Deduzca una ecuación para el trabajo hecho por la compresión isotérmica mecánicamente reversible de una mol de gas, desde una presión inicial P1 hasta una presión final P2 cuando la ecuación de estado es el desarrollo virial truncado en z = 1 + B’P Compare la expresión resultante con la ecuación que corresponde al gas ideal.
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Un propietario de casa trata de decidir entre un horno de gas natural de alta eficiencia de 97 por ciento y una bomba de calor con un COP de 3.5 que extrae calor del suelo. Los costos unitarios de la electricidad y el gas natural son $0.092/kWh y $1.42/termia, respectivamente (1 termia =105,500 kJ). Determine cuál sistema tendrá un costo menor de consumo de energía. Una bomba de calor con refrigerante 134a como fluido de trabajo se usa para mantener un espacio a 25 °C absorbiendo calor de agua geotérmica que entra al evaporador a 60 °C a razón de 0.065 kg/s y sale a 40 °C. El refrigerante entra al evaporador a 12 °C con una calidad de 15 por ciento y sale a la misma presión como vapor saturado. Si el compresor consume 1.6 kW de potencia, determine a) el flujo másico del refrigerante, b) la tasa de suministro de calor, c) el COP y d) el consumo mínimo de potencia por el compresor para la misma tasa de suministro de calor.
Una máquina térmica opera entre dos depósitos a 800 y 20 °C. La mitad de la potencia desarrollada por la máquina térmica se usa para accionar una bomba de calor de Carnot que quita calor del entorno frío a 2 °C y lo transfiere a una casa que se mantiene a 22 °C. Si la casa pierde calor a razón de 62,000 kJ/h, determine la tasa mínima de suministro de calor a la máquina térmica necesaria para mantener la casa a 22 °C. 7. Una planta de potencia trabaja con una reserva de calor que sirve como fuente a 350°C y con una reserva de calor como vertedero a 30°C. La planta tiene una eficiencia térmica igual al 55 por ciento de la de una máquina de Carnot que trabaja a las mismas temperaturas. A) ¿Cuál es la eficiencia térmica de la planta? b) ¿A qué temperatura debe aumentarse la reserva que sirve como fuente de calor para incrementar la eficiencia térmica de la planta a 35 por ciento? De nuevo, 77 es igual a 55 por ciento del valor que corresponde a la máquina de Carnot. 8. Un recipiente rígido con un volumen de 0.06 m3 contiene un gas ideal Cv = (5/2)R a 500 K y 1 bar. a) Si se transfieren al gas 15 000 J de calor, determine su cambio de entropía. b) Si el recipiente contiene ahora un agitador que gira por un eje de modo que el trabajo hecho sobre el gas sea de 15 000 J, ¿cuál es el cambio de entropía del gas si el proceso es adiabático? ¿Cuál es el valor de ∆S total? ¿Cuál es la característica irreversible de este proceso? 9. Un dispositivo sin partes móviles proporciona un flujo continuo de aire de enfriamiento a -25°C y 1 bar. El dispositivo es alimentado por aire comprimido a 25°C y 5 bar. Además del flujo de aire de enfriamiento, del dispositivo sale también un segundo flujo de aire caliente a 75°C y 1 bar. Suponiendo que la operación es adiabática, ¿cuál es la relación máxima aire de enfriamiento/aire caliente que el dispositivo puede producir? Suponga que el aire es un gas ideal para el que Cp = (7/2)R. 10. Demuestre las ecuaciones de Maxwell, la expansión volumétrica y comprensibilidad isotérmica
𝜕𝑃
11. Pruebe que ( ) = ( 𝜕𝑇 𝑠
𝑘 𝑘−1
𝜕𝑃
)( )
𝜕𝑇 𝑣
12. Un sistema de dos fases de agua líquida y vapor de agua que se encuentra en equilibrio a 8 000 kPa contiene volúmenes iguales de líquido y vapor. Si el volumen total Vt = 0.15 m3, ¿cuál es el valor de la entalpía total H y de la entropía total S? 13. Se expande vapor húmedo a 1 100 kPa a entalpía constante (al igual que en un proceso de estrangulamiento) hasta llegar a 101.33 kPa, donde su temperatura es de 105°C. ¿Cuál es la calidad del vapor en su estado inicial? 14. Estime los cambios de entalpía y entropía cuando el amoniaco líquido a 270 K se comprime desde su presión de saturación de 381 kPa hasta 1200 kPa. Para el amoniaco líquido saturado a 270 K, v = 1.551 *10-3 m3 kg-1 y β = 2.095*10-3 K-1. 15. La capacidad calorífica del sílice (SiO2) sólido es Cp (J / kmol) = 46.94+ 34.3*10-3T -11.30*10-5 T2 y su coeficiente de expansión térmica es 0.3530 *10 -4 K-1 y su volumen molar es de 22.6 cm3 mol-1 . Calcular el cambio de entropía para una mol de sílice para el proceso en el cual el estado inicial es de 1 bar y 200 K y el estado final es de 1000 bar y 500 K. 16. Estime el coeficiente de Joule-Thomson para refrigerante 134a a 40 psia y 60 °F 17. Demuestre que 𝜕𝑣
𝜕𝑃
𝜕𝑃
𝜕𝑣
𝜕𝑇 𝑠
𝜕𝑇 𝑣
𝜕𝑇 𝑠
𝜕𝑇 𝑝
𝑐𝑣 = −𝑇 ( ) ( ) y 𝑐𝑝 = −𝑇 ( ) ( )
18. Un recipiente que contiene 11 lbm de oxígeno a una presión de 70 psia y a una temperatura de 210 ºF, se encuentra conectado a una válvula a un segundo recipiente que contiene 22 lbm de Monóxido de carbono (CO) a una presión de 40 psia y una temperatura de 120 ºF. La válvula se abre produciéndose la mezcla adiabática de los gases. Determine: a) Calcule la presión y temperatura final. b) Determine el análisis molar final. c) halle la presión parcial de cada gas 19. El aire de un cuarto tiene una presión de 1 atm, una temperatura de bulbo seco de 24 °C y una temperatura de bulbo húmedo de 17 °C. Usando la carta psicrométrica, determine a) la humedad específica, b) la entalpía, en kJ/kg aire seco, c) la humedad relativa, d) la temperatura de punto de rocío y e) el volumen específico del aire, en m3/kg aire seco. 20. Se enfría aire húmedo a 1 atm, a presión constante, de 30 °C y 60 por ciento de humedad relativa, a la temperatura de punto de rocío. Determine el enfriamiento, en kJ/kg aire seco, que se necesita para este proceso. 21. Aire a 1 atm, 15 °C y 60 por ciento de humedad relativa se calienta primero a 20 °C en una sección de calentamiento y luego se humidifica por introducción de vapor de agua. El aire sale de la sección de humidificación a 25 °C y 65 por ciento de humedad relativa. Determine a) la cantidad de vapor que se agrega al aire y b) la cantidad de calor que se transfiere al aire en la sección de calentamiento. 22. Dos flujos de aire se mezclan estacionaria y adiabáticamente. El primer flujo entra a 32 °C y 40 por ciento de humedad relativa a razón de 20 m3/min, mientras el segundo entra a 12 °C y 90 por ciento de humedad relativa, a razón de 25 m3/min. Suponiendo que el proceso de mezclado ocurre a una presión de 1 atm, determine la humedad específica, la humedad relativa, la temperatura de bulbo seco y el flujo volumétrico de la mezcla. 23. 1500 Kg/h de un fuel que contiene un 88% de C y un 12% en peso de H se queman en un horno dando un gas de chimenea que contiene CO2, O2, N2 y H2O, con la siguiente composición molar en base seca: CO2: 13.1%, O2: 3.7 %, N2: 83.2% El aire y el fuel-oil entran al horno a 25°C y el horno pierde por las paredes 4.5 x 106 kcal/h. Calcular: a) Los kmol de gas de chimenea producidos. b) Los kmoles de agua de combustión en el gas de chimenea por cada 100 kmoles de gas de chimenea seco. c) El exceso de aire empleado d) La temperatura de salida de los gases de chimenea. 24. Para fabricar formaldehído se hace reaccionar una mezcla de metano y aire en un lecho catalítico, en el que tiene lugar la reacción: CH4 + O2 -> HCOH + H2O Al reactor se alimenta aire fresco y metano a 177°C y presión atmosférica. Para mejorar el rendimiento se introduce 100% de exceso de aire respecto al estequiométrico. A pesar de ello, sólo se transforma en formaldehído el 13% del metano alimentado, quemándose 0.5% del mismo a dióxido de carbono y agua. Los gases calientes abandonan el reactor a 192°C. Para eliminar el calor desprendido en la reacción se hace circular agua a 27°C por una camisa exterior, de la que sale a 41°C. En un ensayo de 4 horas se obtuvieron en los productos de reacción 13.3 kg de agua. Calcular el caudal de agua de refrigeración necesario. 25. Suponga que el sistema es una reacción química, tal como la obtención de amoníaco (NH3) 𝑁2(𝑔) + 3𝐻2(𝑔) → 2𝑁𝐻3(𝑔) ∆𝐻0 = −92.6𝐾𝐽 Calcule el cambio de entropía del universo.