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ECBTI TERMODINÁMICA 212065 Semestre 2019-16 04

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

TAREA 3. MÁQUINAS TÉRMICAS Y SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

PRESENTADO POR Ruby Alexandra Gallego Lozada 1110118180

PRESENTADO A

Tutor Jade Alexandra Li Ramirez

GRUPO 212065_27

Noviembre de 2019

Trabajo Colaborativo Unidad 3

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Paso 1 Cada estudiante debe dar solución individual a las 5 preguntas que se listan a continuación y para ello se recomienda revisar las siguientes referencias bibliográficas que se encuentran en el entorno de conocimiento. Nombre Estudiante 1:

Problema 1

En qué consiste la 2da ley: Ejemplo de la segunda ley:

Problema 2

Qué es una máquina térmica y cómo determinar su eficiencia:

Refrigerador y cómo determinar su eficiencia: Bomba de calor y cómo determinar su eficiencia: Problema 3

Explicar el ciclo de Carnot y ecuaciones: Explicar el refrigerador de Carnot y ecuaciones:

Problema 4

Qué es un proceso reversible: Qué es un proceso irreversible:

Problema 5

Que entiende por entropía: Principio de incremento de entropía:

Nombre Estudiante 2: Ruby Alexandra Gallego Lozada Problema 1

En qué consiste la 2da ley: La segunda ley de la termodinámica es un principio general que impone restricciones a la dirección de la

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ECBTI TERMODINÁMICA 212065 Semestre 2019-16 04 transferencia de calor, y a la eficiencia posible en los motores térmicos. De este modo, va más allá de las limitaciones impuestas por la primera ley de la termodinámica. Sus implicaciones se pueden visualizar en términos de la analogía con la cascada Ejemplo de la segunda ley: Un aire acondicionado, por ejemplo, puede enfriar el aire en una habitación, reduciendo así la entropía del aire de ese sistema. El calor expulsado de la habitación (el sistema), que el aire acondicionado transporta y descarga al aire exterior, siempre contribuye más a la entropía del ambiente que la disminución de la entropía del aire de ese sistema. Por lo tanto, el total de entropía de la sala más la entropía del entorno aumenta, de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica. Problema 2

Qué es una máquina térmica y cómo determinar su eficiencia: Un motor o máquina térmica cuyo objetivo es proporcionar continuamente trabajo al exterior, transformando en trabajo el máximo posible del calor absorbido, consiste en un dispositivo mediante el cual se hace recorrer un ciclo a un sistema, en sentido tal que absorbe calor mientras la temperatura es alta, cede una cantidad menor a una temperatura inferior y realiza sobre el exterior un trabajo neto. Carnot encontró, que el punto clave en su estudio era reconocer que una máquina térmica requiere de una diferencia de temperaturas para poder operar. Esto es, cuando una máquina opera entre dos cuerpos y extrae calor del más caliente, cede una cantidad de calor al cuerpo más frío hasta igualar las temperaturas de

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ECBTI TERMODINÁMICA 212065 Semestre 2019-16 04 ambos, esto es hasta restaurar el equilibrio térmico. Este es el principio de Carnot, pero Carnot nunca demostró la conjetura de que la eficiencia de dicha máquina sólo depende de la temperatura de los recipientes entre los cuales opera.

Refrigerador y cómo determinar su eficiencia: Un refrigerador es un dispositivo cuyo objetivo es extraer calor de un cuerpo a una cierta temperatura y cederlo a otro que se encuentra a una temperatura superior Bomba de calor y cómo determinar su eficiencia: La bomba de calor es una máquina térmica que toma calor de un espacio frío y lo transfiere a otro más caliente gracias a un trabajo aportado desde el exterior, es decir, hace lo mismo exactamente que la máquina frigorífica, lo único que cambia es el objetivo. En la máquina frigorífica el objetivo es enfriar y mantener frío el espacio frío. La bomba de calor, sin embargo, tiene como objetivo aportar calor y mantener caliente el espacio caliente. Problema 3

Explicar el ciclo de Carnot y ecuaciones: Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas, tal como se muestra en la figura.

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La representación gráfica del ciclo de Carnot en un diagrama p-V es el siguiente

Tramo A-B isoterma a la temperatura T1 Tramo B-C adiabática Tramo C-D isoterma a la temperatura T2 Tramo D-A adiabática

En cualquier ciclo, tenemos que obtener a partir de los datos iniciales:

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ECBTI TERMODINÁMICA 212065 Semestre 2019-16 04 

La presión, volumen de cada uno de los vértices.



El trabajo, el calor y la variación de energía interna en cada una de los procesos.



El trabajo total, el calor absorbido, el calor cedido, y el rendimiento del ciclo.

Los datos iniciales son los que figuran en la tabla adjunta. A partir de estos datos, hemos de rellenar los huecos de la tabla. Variables

A

B

C

D

Presión p (atm)

pA

 

 

 

Volumen v (litro vA s)

vB

 

 

Temperatura T ( T1 K)

T1

T2

T2

Explicar el refrigerador de Carnot y ecuaciones: Se sabe que el calor se transfiere en la dirección de la temperatura más alta a la más baja, este proceso ocurre en la naturaleza sin requerir ningún dispositivo. Sin embargo, el proceso inverso no puede ocurrir por si mismo, como lo dice el enunciado de Clausius. La transferencia de calor de un medio que se encuentra a baja temperatura hacia otro de temperatura alta requiere de un refrigerador. Al invertir el ciclo de la máquina térmica de Carnot, obtenemos un ciclo de refrigeración de Carnot. Todos los procesos son internamente reversibles.

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El refrigerador trabaja de un modo muy similar a una bomba de calor; enfría su interior bombeando energía térmica desde los compartimientos de almacenamiento de los alimentos hacia el exterior más caliente. Durante su operación, un refrigerador elimina una cantidad de energía térmica Qf del interior del refrigerador, y en el proceso (igual que la bomba de calor) su motor realiza trabajo W. El coeficiente de realización de un refrigerador o de una bomba de calor se define en términos de Qf:

En este caso, el coeficiente de realización más alto

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ECBTI TERMODINÁMICA 212065 Semestre 2019-16 04 posible es también el de un refrigerador cuya sustancia de trabajo se lleva por un ciclo de máquina térmica de Carnot a la inversa. Problema 4

Qué es un proceso reversible: Proceso reversible. Se denominan procesos reversibles a aquellos que hacen evolucionar a un sistema termodinámico desde un estado de equilibrio inicial a otro nuevo estado de equilibrio final a través de infinitos estados de equilibrio. Qué es un proceso irreversible: Todos los procesos que no son reversibles son irreversibles. ... Un proceso irreversible es aquel que no puede invertirse, a menos que se efectue un cambio de los alrrededores. Ocurren expontaneamente en una dirección determinada con cambios drásticos del sistema y su entorno, lo que hace imposible la irreversibilidad

Problema 5

Que entiende por entropía: La entropía puede ser la magnitud física termodinámica que permite medir la parte no utilizable de la energía contenida en un sistema. Esto quiere decir que dicha parte de la energía no puede usarse para producir un trabajo. Principio de incremento de entropía: El principio del aumento de entropía puede resumirse como: El cambio de entropía de un sistema aislado durante un proceso es igual a la suma de los cambios de entropía del sistema y su entorno, lo cual recibe el nombre de cambio de entropía total o generación de entropía,

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ECBTI TERMODINÁMICA 212065 Semestre 2019-16 04 Sgen. y el otro arbitrario.

Nombre Estudiante 3:

Problema 1

En qué consiste la 2da ley: Ejemplo de la segunda ley:

Problema 2

Qué es una máquina térmica y cómo determinar su eficiencia:

Refrigerador y cómo determinar su eficiencia: Bomba de calor y cómo determinar su eficiencia: Problema 3

Explicar el ciclo de Carnot y ecuaciones: Explicar el refrigerador de Carnot y ecuaciones:

Problema 4

Qué es un proceso reversible: Qué es un proceso irreversible:

Problema 5

Que entiende por entropía: Principio de incremento de entropía:

Nombre Estudiante 4:

Problema 1

En qué consiste la 2da ley: Ejemplo de la segunda ley:

Problema 2

Qué es una máquina térmica y cómo determinar su eficiencia:

Refrigerador y cómo determinar su eficiencia:

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ECBTI TERMODINÁMICA 212065 Semestre 2019-16 04 Bomba de calor y cómo determinar su eficiencia: Problema 3

Explicar el ciclo de Carnot y ecuaciones: Explicar el refrigerador de Carnot y ecuaciones:

Problema 4

Qué es un proceso reversible: Qué es un proceso irreversible:

Problema 5

Que entiende por entropía: Principio de incremento de entropía:

Nombre Estudiante 5:

Problema 1

En qué consiste la 2da ley: Ejemplo de la segunda ley:

Problema 2

Qué es una máquina térmica y cómo determinar su eficiencia:

Refrigerador y cómo determinar su eficiencia: Bomba de calor y cómo determinar su eficiencia: Problema 3

Explicar el ciclo de Carnot y ecuaciones: Explicar el refrigerador de Carnot y ecuaciones:

Problema 4

Qué es un proceso reversible: Qué es un proceso irreversible:

Problema 5

Que entiende por entropía: Principio de incremento de entropía:

Paso 2

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ECBTI TERMODINÁMICA 212065 Semestre 2019-16 04 1. Cada estudiante selecciona una pregunta sobre máquinas térmicas, la indica en el foro y la resuelve:

Nombre del estudiante: (indicar su nombre) a. Una máquina térmica con una eficiencia del 25% emite calor hacia el sumidero a 1500 kJ/kg. ¿Cuánto calor recibe? ¿Si se sabe además que la fuente está a 1200 K y el sumidero a 400 K, es esta máquina posible? (comparar las eficiencias reales y de Carnot) Solución

Nombre del estudiante: Ruby Alexandra Gallego Lozada b. Una máquina térmica con una eficiencia térmica de Carnot de 80% emite 3500 kJ/kg de calor al sumidero. ¿Cuánto calor recibe y a qué temperatura está la fuente si el sumidero está a 200K? Solución: La fuente de la máquina térmica genera un total de 17500 kJ de energía y la temperatura de esta fuente es de 1000 K. Explicación: Aplicamos teoría de máquina térmica: n = 1 - Qsal/Qent Entonces, buscamos el calor de entrada, tal que: 0.80 = 1 - (3500 KJ/kg)/Qent

Qent = (3500 kJ/kg)/(0.20) Qent = 17500 kJ

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ECBTI TERMODINÁMICA 212065 Semestre 2019-16 04 Ahora, buscamos la temperatura de la fuente: n = 1 - Tf/Tc 0.80 = 1 - (200 K)/Tc Tc = 1000 K

Nombre del estudiante: (indicar su nombre) c. Una máquina térmica con eficiencia de 75% trabaja en un ciclo de Carnot. El calor sale de la máquina hacia un sumidero a 100 °F, a razón de 1200 Btu/min. Determine la temperatura de la fuente (debe trabajar en K o R) y la potencia de la maquina térmica en BTU/min Solución

Nombre del estudiante: (indicar su nombre) d. La eficiencia de una máquina térmica general es 40%, y produce 745 J/s de potencia. ¿A qué tasa se transfiere calor en este motor, en J/s y cuánto calor no se aprovecha? Solución

Nombre del estudiante: (indicar su nombre) e. Una máquina térmica opera entre una temperatura de 700 K y 273 K con un calor que va al sumidero de (QL) de 500 kJ/s y tiene una eficiencia real del 30%, determine la eficiencia asumiendo un ciclo de Carnot y compara ambas eficiencias. ¿Es posible que exista esta máquina térmica? Solución

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ECBTI TERMODINÁMICA 212065 Semestre 2019-16 04 2. Cada estudiante elige un ejercicio y lo soluciona con respecto a maquinas térmicas Nombre del estudiante: (indicar su nombre) a. Un refrigerador doméstico con un COP de 3.0 extrae calor del espacio refrigerado a una tasa de QL=500 kJ/min. Determine a) la potencia eléctrica que consume el refrigerador en J/h (W) y b) la tasa de transferencia de calor al aire de la cocina en J/h y c) el COPHB (eficiencia de la bomba de calor) Solución

Nombre del estudiante: Ruby Alexandra Gallego Lozada b. Un refrigerador doméstico con un COP de 2.5 elimina calor del espacio refrigerado a una tasa de QL=500 kJ/min. Determine a) la potencia eléctrica que consume el refrigerador y b) la tasa de transferencia de calor al aire de la cocina QH. Solución a) La potencia eléctrica que consume el refrigerador es: W entrada = 200 KJ/min. b) La tasa de transferencia de calor al aire de la cocina QH es: QH = 700 KJ/min.

 La potencia eléctrica que consume el refrigerador y la tasa de transferencia de calor al aire de la cocina QH se calcula mediante la aplicación de la fórmula : COP = QL/W entrada de la siguiente manera : COP = 2.5

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ECBTI TERMODINÁMICA 212065 Semestre 2019-16 04 QL= 500 KJ/min a) W entrada =? b) QH=?

a) COP = QL/Wentrada Se despeja Wentrada Wentrada = QL/COP = 500 KJ/min/ 2.5 W entrada = 200 KJ/min

b) QH = QL + W entrad QH = 500 KJ/min+ 200 KJ/min QH = 700 KJ/min

Nombre del estudiante: (indicar su nombre) c. Un refrigerador doméstico con un COP de 2.0 elimina calor del espacio refrigerado a una tasa de QL=100 kJ/min. Determine a) la potencia eléctrica que consume el refrigerador y b) la tasa de transferencia de calor al aire de la cocina QH y c) el COP HB (eficiencia de la bomba de calor) Solución

Nombre del estudiante: (indicar su nombre) d. Una bomba de calor residencial tiene un coeficiente de desempeño de 2.3. ¿Cuánto efecto de calefacción se obtiene (QH), en Btu/s, cuando se suministran 3 hp a esta bomba de

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ECBTI TERMODINÁMICA 212065 Semestre 2019-16 04 calor? Solución

Nombre del estudiante: (indicar su nombre) e. Una bomba de calor residencial tiene un coeficiente de desempeño de 3.5. ¿Cuánto efecto de calefacción (QH) se obtiene, en kJ/s, cuando se suministran 15 hp a esta bomba de calor? Solución

3. Cada estudiante elige un ejercicio y lo soluciona con respecto a ejercicios de segunda ley de la termodinámica Nombre del estudiante que desarrolla: a. Agua a 650 Kpa con una calidad del 80% pasa del estado 1 al estado 2 a 10 Mpa y 800 °C. Determinar el cambio de entropía empleando tablas Solución:

Nombre del estudiante que desarrolla: Ruby Alexandra Gallego Lozada b. Liquido saturado a 240 °C y con calidad de 0.5 pasa a un estado dos donde su presión es de 0.05 Mpa y 900 °C. Calcule el cambio de entropía empleando las tablas de vapor Solución:

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ECBTI TERMODINÁMICA 212065 Semestre 2019-16 04 Nombre del estudiante que desarrolla: c. Calcule el cambio de entropía del nitrógeno al pasar de un estado uno a 320KPa y 500 °C a 800 kPa y 45 °C en kJ/kgK? Solución:

Nombre del estudiante que desarrolla: d. Liquido saturado a 205 °C y con calidad de 0.2 pasa a un estado dos donde su presión es de 300 Kpa y energía interna de 561.11 kJ/kg. Calcule el cambio de entropía empleando las tablas de vapor Solución:

Nombre del estudiante que desarrolla: e. Calcule el cambio de entropía del Helio al pasar de un estado uno a 300 Kpa y 200 °C a 1200 kPa y 23 °C en kJ/kgK? Solución:

A continuación, se presentan dos ejercicios relacionados con aplicación de la segunda ley en sistemas abiertos y eficiencias isoentrópicas. Para la resolución de los ejercicios, los estudiantes deberán desarrollarlos de forma individual, detallada y discutir en grupo las respuestas. Finalmente deben seleccionar el proceso más eficiente y justificar paso a paso los dos ejercicios. 4. Seleccionar un ejercicio por estudiante sobre máquinas térmicas, al final deben debatir y seleccionar en grupo el proceso más eficiente de los trabajados y argumentar su elección Nombre del estudiante:

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ECBTI TERMODINÁMICA 212065 Semestre 2019-16 04 a. Mediante un compresor adiabático se comprime aire de 100 kPa y 12 °C a una presión de 800 kPa a una tasa estacionaria de 0.2 kg/s. Si la eficiencia isentrópica del compresor es 75 por ciento, determine a) la temperatura de salida del aire y b) la potencia de entrada requerida en el compresor. Solución Nombre del estudiante: Ruby Alexandra Gallego Lozada b. Mediante un compresor adiabático se comprime aire de 100 kPa y 12 °C a una presión de 800 kPa a una tasa estacionaria de 0.2 kg/s. Si la eficiencia isentrópica del compresor es 70 por ciento, determine a) la temperatura de salida del aire y b) la potencia de entrada requerida en el compresor. Solución La temperatura de salida del aire en el compresor es de T2 = 569.5 K La potencia de entrada requerida por el compresor es de W = 57.98 Watts Explicación: T1 = 273 + 12°C = 285K Con este valor nos vamos a tabla de propiedades termodinámicas del aire h1 = 285.14 kJ/kg Pr1 = 1.1584 Con la relación de presiones reducidas podemos hallar la entalpia isentropica final Pr2 = Pr1(P2/P1) = 1.1584 (800 kPa/100kPa) Pr2 = 9.2672 kPa   en tablas e interpolando

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ECBTI TERMODINÁMICA 212065 Semestre 2019-16 04 h2s = 517.05 kJ/kg Con ecuacion de eficiencia n = hs2 - h1 / h2 - h1 0.7 = 517.05 kJ/kg - 285.14 kJ/kg / h2 - 285.14 kJ/kg h2 = 575.03 kJ/kg   en tablas e interpolando T2 = 569.5 K B) Potencia W  = m (h2 - h1) W = 0.2 kg/s (575.03 kJ/kg - 285.14 kJ/kg W = 57.98 Watts

Nombre del estudiante: c. Mediante un compresor adiabático se comprime aire de 100 kPa y 12 °C a una presión de 800 kPa a una tasa estacionaria de 0.2 kg/s. Si la eficiencia isentrópica del compresor es 65 por ciento, determine a) la temperatura de salida del aire y b) la potencia de entrada requerida en el compresor. Solución Nombre del estudiante: d. Mediante un compresor adiabático se comprime aire de 100 kPa y 12 °C a una presión de 800 kPa a una tasa estacionaria de 0.2 kg/s. Si la eficiencia isentrópica del compresor es 60 por ciento, determine a) la temperatura de salida del aire y b) la potencia de entrada requerida en el compresor.

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ECBTI TERMODINÁMICA 212065 Semestre 2019-16 04 Solución Nombre del estudiante: e. Mediante un compresor adiabático se comprime aire de 100 kPa y 12 °C a una presión de 800 kPa a una tasa estacionaria de 0.2 kg/s. Si la eficiencia isentrópica del compresor es 55 por ciento, determine a) la temperatura de salida del aire y b) la potencia de entrada requerida en el compresor. Solución Dispositivo Mejor

Argumentos

Seleccionar un numeral por estudiante sobre el siguiente proceso. Al final el grupo tomará el proceso más eficiente de solo los numerales resueltos. Cada estudiante responderá la pregunta siguiente: Potencia del compresor 1 y calor Q extraído del intercambiador de calor del proceso más eficiente 5. En la figura 1 se presenta un sistema de compresión de agua de dos etapas. Las condiciones de operación de flujo estacionario para el proceso se presentan en la figura. Los compresores son adibaticos. Despreciando todos los cambios de energía cinética y potencial de todos los equipos y la caida de presión en el intercambiador y considerando la temperatura de los alrededores en 30ºC se pide:

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Figura 1. Esquema del proceso de compresión de agua Nombre del estudiante: a. Determinar eficiencia isoentrópica del compresor 1 y 2 si se sabe que a la salida del compresor 1 la temperatura es de 300°C y decidir cuál es más eficiente

Nombre del estudiante: Ruby Alexandra Gallego Lozada a. Determinar eficiencia isoentrópica del compresor 1 y 2 si se sabe que a la salida del compresor 1 la temperatura es de 350°C y decidir cuál es más eficiente

Nombre del estudiante: a. Determinar eficiencia isoentrópica del compresor 1 y 2 si se sabe que a la salida del compresor 1 la temperatura es de 400°C y decidir cuál es más eficiente

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ECBTI TERMODINÁMICA 212065 Semestre 2019-16 04 Nombre del estudiante: a. Determinar eficiencia isoentrópica del compresor 1 y 2 si se sabe que a la salida del compresor 1 la temperatura es de 450°C y decidir cuál es más eficiente

Nombre del estudiante: a. Determinar eficiencia isoentrópica del compresor 1 y 2 si se sabe que a la salida del compresor 1 la temperatura es de 500°C y decidir cuál es más eficiente

Proceso más eficiente global

Nombre estudiante

del Calor Q extraído del intercambiador de calor en kJ/kg

Nombre estudiante

del Solución

Nombre estudiante

del Solución

Nombre estudiante

del Solución

Nombre estudiante

del Solución

Nombre estudiante

del Solución

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ECBTI TERMODINÁMICA 212065 Semestre 2019-16 04 Respuesta Grupal Calor Q extraído del intercambiador de calor del proceso más eficiente

Paso 3: Computacional Este paso se debe solucionar de forma individual. El estudiante debe seleccionar un numeral, indicarlo en el foro y responder la pregunta. Al final el moderador del grupo compilará todos los documentos Excel y lo subirá junto el anexo-tarea 3 en el entorno de evaluación y seguimiento. Pregunta 1. Se comprime Dióxido de Carbono de un estado inicial, hasta otro final de 1000 kPa y 900 K. Determine el cambio de entropía del gas durante este proceso de compresión usando a) los calores específicos promedio.y b) tomando el calor especifico como función de la temperatura y desarrollar la integral con el aplicativo Symbolab que será indicado en el foro.

a. Estudiante 1 estado inicial de 500 kPa y 350 K b. Estudiante 2 estado inicial de 500 kPa y 400 K c. Estudiante 3 estado inicial de 500 kPa y 450 K d. Estudiante 4 estado inicial de 500 kPa y 500 K e. Estudinate 5 estado inicial de 500 kPa y 600 K

Para ello, tenga en cuenta la siguiente información:

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(Extraido de Cengel, Termodinámica 7ma edición, Mc Graw Hill)

(Extraido de Cengel, Termodinámica 7ma edición, Mc Graw Hill)

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ECBTI TERMODINÁMICA 212065 Semestre 2019-16 04 Para realizar el numeral b, el estudiante debe realizar la integral del Cp como función de T. Para ello debe ir al siguiente link http://es.symbolab.com/solver/definite-integral-calculator ingresar los límites de la integral y reportar el valor. Para gases ideales

REFERENTES BIBLIOGRÁFICOS Se debe referenciar todas las páginas, libros, artículos que se consulten para el desarrollo de la actividad, recuerden utilizar las normas APA para ello. http://www.bidi.uam.mx/index.php? option=com_content&view=article&id=62:citar-recursos-electronicos-normasapa&catid=38:como-citar-recursos&Itemid=65#2 http://datateca.unad.edu.co/contenidos/301127/Manual_de_Normas_APA.pdf Para el desarrollo y la evaluación del trabajo colaborativo se tiene en cuenta lo establecido en el Artículo 19 de la Resolución 6808 del 19 de agosto de 2014 "Por el cual se emiten los referentes y lineamientos para el desarrollo del trabajo colaborativo y el acompañamiento docente y se dictan otras disposiciones", donde se establece: Artículo 19. Evaluación del trabajo colaborativo. “Para aquellos estudiantes que ingresan faltando dos o tres días para el cierre de la actividad, el docente no tendrá en cuenta estas participaciones para la asignación de la calificación en respeto del cumplimiento de aquellos estudiantes que sí lo han hecho” … “En aquellos grupos colaborativos donde la participación de algunos estudiantes sea mínima o nula, el docente realizará la calificación de su trabajo colaborativo de forma individual, binas o tríos sin que la ausencia de los compañeros afecte su calificación final.”

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