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Primera Ley de Termodinámica Emol Soto Alfaro Termodinámica Instituto IACC 03 de agosto de 2020

Desarrollo Responda argumentadamente las siguientes interrogantes: 1. En un día cálido de verano, un estudiante pone en marcha su ventilador cuando sale de su habitación por la mañana. Cuando regresa por la tarde, ¿el cuarto estará mas caliente o mas fresco que los cuartos vecinos? ¿Por qué? Suponga que todas las puertas y ventanas se mantienen cerradas. R. De acuerdo con lo señalado en la pregunta, las puertas y las ventanas se mantienen cerradas, esto genera un tipo de sistema cerrado. El cuarto del estudiante cuando regrese encontrara su cuarto con mayor temperatura, ya que como especifica la primera ley de termodinámica, “Un cambio de la energía total (cinética, potencial e interna) es igual al trabajo realizado en la masa de control mas el calor transferido a dicha masa”. (Howell & Buckius, 1990, p. 123). Lo cual quiere decir que la temperatura se mantendrá en el cuarto, pero a su vez, se le agregara mas calor por el trabajo que realiza el ventilador, la cual la disipa por el sistema motriz que es alimentado por energía eléctrica. 2. Un difusor es un dispositivo adiabático que disminuye la energía cinética del fluido al desacelerarlo. ¿Qué sucede con esa energía cinética perdida? R. Principalmente la energía cinética no se pierde, se transforma en energía interna, ya que los sistemas adiabáticos no transfieren calor hacia el entorno, lo cual se deduce un aumento de temperatura del fluido. 3. ¿Cómo se comparan las energías de un fluido que fluye y un fluido en reposo? Describa las formas específicas de energía asociada en cada caso. R. Según la materia de estudio para ambos fluidos se tiene una energía total, la que esta compuesta por 3 energías; energía cinética, energía potencial y energía interna. Ahora ambos fluidos se comparan por un solo componente, la cual los fluidos que fluyen la tienen como componente adicional, la cual es energía de flujo, la cual se obtienen por el movimiento que genera el fluido.

4. Alguien propone el siguiente sistema para enfriar una casa durante el verano: comprimir el aire exterior normal, dejarlo enfriar a la temperatura del exterior, pasarlo por una turbina e introducirlo en la casa. Desde el punto de vista termodinámico, ¿es lógico el sistema que se propone? Argumente su respuesta. R. Según la termodinámica, los pasos mencionados anteriormente no cumplen con los principios fundamentales y tampoco con el fin que se requiere, el cual es enfriar la casa, en primera instancia la turbina principalmente genera una caída de presión y aumento de caudal de un gas o líquido, lo cual no es lógico para realizar el enfriamiento de la casa. Para poder enfriar la casa se requiere de un sistema como lo utilizan los equipos de aire acondicionado, el cual contiene un condensador y un evaporador 5. Aire fluye de manera estacionaria a 300 K y 100 kPa en un secador de cabello, que tiene una entrada de trabajo eléctrico de 1500 W. Debido al tamaño de la toma de aire, la velocidad de entrada del aire es despreciable. La temperatura y la velocidad del aire a la salida del secador son 80°C y 21 m/s, respectivamente. El proceso de flujo es tanto a presión constante como adiabático. Suponga que el aire tiene calores específicos constantes evaluados a 300 K. a. Determine el flujo masico del aire al secador, en kg/s. b. Determine el flujo volumétrico del aire a la salida del secador, en m3 /s .

R. a. E−E0=E sistema=0 E=E0 V 21 V 22 m h 1+ +W =m(h2 + ) 2 2

(

)

V 22−V 12 W =m(h2−h1+ ) 2 W =m(C p (T 2−T 1)+ m=

V 22−V 21 ) 2

W V 22−V 21 C p (T 2−T 1)+ 2 Entonces para obtener flujo masico:

1 kJ 1,50 KW kg m= ( ) 2 21m m2 −0 1000 2 2 s ( 1,003 kj )( 353−300 ) K + 2

( )

m=0,028 kg/s El aire del secador tendrá un flujo masico de 0,028 kg/s b. V 2=

V 2=

R∗T 2 P2

(

0,287

kPa∗m 3 ∗(353 K ) kg∗K =1,013 m 3 /kg 100 kPa

)

kg 1.013 m 3 V 2= 0,0279 =0,0284 m3 / s s kg

(

)(

)

V 2=0,0284 m3 /s La salida del secador tendrá un flujo volumétrico de: 0,0284 m 3 /s .

6. Una mezcla de liquido y vapor de agua saturados, llamada vapor húmedo, fluye en una línea de suministros de vapor de agua a 1500 kPa y se estrangula hasta 50 kPa y 100°C. ¿Cuál es la calidad de vapor de agua en la línea de suministro?

R. h=hf + x ( hg −hf ) x=

h g−h f hfg kj 2682,39 kj − kg kg kj 1946,3 kg

2791,01 x=

x=0,0558 En la línea de suministro se encontrada la calidad de vapor de agua de: 0,0558. 7. Por una turbina adiabática pasa un flujo estacionario de vapor de agua. Las condiciones iniciales del vapor son 4 MPa, 500°C y 80 m/s en la entrada, y en la salida son 30 kPa, 92 por ciento de calidad y 50 m/s. El flujo másico de vapor es de 12 kg/s. Determine:

a) El cambio de energía cinética. R. ∆ K c=

V 22−V 21 2

502−802 1 ∆ Kc= ∗ =−1,95 kj/ kg 2 1000

(

)

b) La potencia desarrollada por la turbina. R. h1−V 21 h 2−V 22 W =m −m 2 2

(

) (

)

3445−802 2552,16−502 W =12 −12 2 2

(

) (

W =34114,085 c) El área de entrada de la turbina. R. m=

( V1 ) A 1

A1=

(

1∗¿V 1 ¿

m∗V 1 V1

)

A1=0,01296 m2

)

8. Se diseña una unidad de intercambiador de calor con agua helada, para enfriar 5 m 3 /s de aire a 100 kPa y 30°C, hasta 100 kPa y 18°C, usando agua helada a 8°C. Determine la temperatura máxima del agua a la salida, cuando su tasa de flujo es 2 kg/s.

R. Según la primera ley de termodinámica Qc =Qa . También se dice que: Q a=m a∗Cp a∗∆ T a. Qc =−ma i∗Cpa i∗∆ T a i Enotnces se obtiene referido a lo anterior: 2 Kg ∗4180 J m3 KG J s 5 ∗1,165 ∗1010 ∗12 K= ∗(Tfa−281 K ) s m3 KgK KgK J J 70599 =8369Tfa−2349160 s s 2419759 Tfa= 8369 Tfa=289 K Tfa=16 ° C

J s

J sK

Bibliografía -

(IACC 2020). Primera Ley de Termodinámica. Semana N°3.