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AUX. DOC. TIÑINI CRISPIN JORGE MARCELO

PRQ-400

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS INGENIERIA QUIMICA, AMBIENTAL, ALIMENTOS Y PETROQUIMICA. yx

MATERIA: TERMODINÁMICA. DOCENTE: ING. JORGE VÁSQUEZ AUX.DOC. JORGE MARCELO TIÑINI CRISPIN

I.

PRACTICA 1 PRIMER PARCIAL PROPIEDADES DE LA SUSTANCIA PURA

1. Complete el siguiente cuadro usando las tablas de propiedades del agua. T(°C)

P (KPa)

v (m3/Kg)

50

u (KJ/Kg)

h (KJ/Kg)

1

250

0.6 500 2914,2

300

3205,7 1500

950

0

30

0.015

350

3127 1500 200

0,7 2300

1000 250

400

110

600 792,18

0,9

3125

0,001043

L.C.

4500 50

V.S.C.

0.782

140

20

Fase

4.16 200

80

X

2890

300 800

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2. Se tiene un sistema compuesto de dos tanques conectados por una válvula, ambos contienen agua; uno de ellos, de 1m3, a 200KPa con volumen especifico de 0,5 m3/Kg. Mientras el otro contiene 3 Kg de agua a 0,5 MPa y 400°C. Si la válvula se abre y se alcanza un estado uniforme cual será el volumen especifico final. Rpta: 0,5746 m3/Kg 2 3. El dispositivo de la figura tiene una sección de 0,046 m de superficie y contiene vapor a 2.55 kgf/cm2 y 150°C. El contenido del cilindro transmite calor al medio ambiente por medio de las paredes del recipiente, logrando cambios de estado. a. Cuanto varía la temperatura, con respecto al inicio, cuando se alcanza los topes. b. Si se continua el enfriamiento hasta 35°C ¿Cuál es la presión dentro el cilindro? ¿Cuál la sequedad? c. Señale el proceso en el diagrama T-v y P- v

Rpta: 22,56°C; 5.63 kPa ;1.5% 4. Un tanque de acero de capacidad 300 dm3 contiene una mezcla líquido vapor a 150°C. El tanque se somete a calentamiento hasta llegar a un estado donde no es posible diferencial la fase de vapor y líquido. Calcule el volumen y masa de la fase liquida antes del calentamiento. Rpta: 96.10kg; 0.105 m3 5. Un arreglo de embolo y cilindro, contiene 1.808lb de vapor saturado a 240°F. Entre la cara externa del pistón y un soporte fijo se ha acomodado un resorte. Al inicio el resorte no sufre ninguna elongación. Se retira calor hasta que el volumen se reduce en 79% respecto al estado inicial. La constante del resorte es 1498,5 lbf/ft y el área del pistón es 6,24 ft2. ¿Qué ocurre en el estado final? explique y respalde numéricamente su respuesta. Grafique el proceso en el diagrama TV. Rpta: 84.34% de la masa se condensó 6. El cilindro de la figura contiene agua a 105°C y 85% de porcentaje de humedad, con un volumen de 1 L. Se eleva el pistón por medio de calentamiento y este se encuentre un resorte lineal, momento en el que el volumen es de 0,0015m3. El radio del pistón es de 75 mm y la constante del resorte es de 10,20 Kgf/mm. El calentamiento continúa, comprimiendo el resorte, hasta que la temperatura llega a 600°C. determine la presión en ese punto.

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Rpta: 193 KPa 7. Un dispositivo cilindro embolo contiene 85 kg de refrigerante 134-a a -10°C el embolo tiene movimiento libre y su masa es de 12 kg, con diámetro de 25 cm. La presión atmosférica local 88 kPa. Ahora bien, se transfiere calor al refrigerante hasta que su temperatura es de 15°C. determine: a. La presión final b. Cambio de volumen del cilindro c. En cambio de entalpia del refrigerante. Rpta: a) 90.4 KPa b) 0.214 m3 c) 136.94 KJ 8. Un recipiente rígido contiene agua como liquido saturado a 10 bar ¿Qué porcentaje de su agua inicial debe extraerse sin modificar su presión, para que su calidad final sea de 10%? Rpta: 94.49 % 9. Un kilogramo de vapor de agua, a 200 KPa, llena el compartimiento izquierdo de 1.1989m 3 de volumen de un sistema dividido. El volumen de la cámara derecha es el doble que en la izquierda, y al principio ha sido evacuada. Determine la presión del agua cuando se ha eliminado la división y se haya transferido la cantidad de calor necesario para que la temperatura del agua sea de 3°C. Rpta: 0.768KPa 10. Un conjunto cilindro pistón contiene agua a 105°C y 85% de calidad, con un volumen de 1 L, el sistema se calienta lo que hace que el pistón se eleve y se encuentre un resorte lineal como se muestra en la figura a continuación. En este punto el volumen es de 1.5 L, el diámetro del pistón es de 150 mm y la constante del resorte es de 100N/mm. El calentamiento continua, de modo que el pistón comprime el resorte ¿cuál es la presión del cilindro cuando la temperatura llega a 600 °C? Rpta: 393 KPa 11. Un recipiente de forma esférica que tiene una capacidad de 0,8 m3 contiene vapor a 10 bar y 0,95 de sequedad. Vapor es soplado hacia fuera hasta que la presión baje a 5 bar. La válvula se cierra y el vapor se deja enfriar hasta que la presión cae a 4 bar. Suponiendo que la entalpía de vapor en el recipiente permanece constante durante el soplado fuera determinar: a. La masa de vapor volado b. La fracción de sequedad del vapor en el recipiente después del enfriamiento Rpta: 2,12 Kg; 0,78 12. En un recipiente rígido de 1 m3 se almacena vapor a 7 bar y 500°C. lentamente el recipiente se enfría. Determine a que temperatura ocurre la condensación y la fracción de masa que se INGENIERIA QUÍMICA, AMBIENTAL, ALIMENTOS Y PETROQUÍMICA

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condensa cuando el sistema alcanza 0,5 bar. Considerando este último estado, como final ¿Cuál es el volumen ocupado por la fase liquida? Ilustre todo el ejercicio en el diagrama PV. Rpta: 140°C; 0,84 ; 0,00167 m3

II.

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

13. En el recipiente de la figura se introduce 1kg de vapor de agua saturado a 150°C, el resorte inicialmente no ejerce ninguna presión sobre el pistón. Se retiran los topes inferiores que soportaban inicialmente al pistón. Se mantienen todo el tiempo la temperatura constante. ¿Cuál será la altura que descenderá el pistón? Considere: Peso el pistón: 1.2 kg; área del pistón: 0.0092m2; constante del resorte: 3kg/m. Rpta.- 44.86 m

14. Considere el conjunto pistón y cilindro que se muestra en la figura, donde un pistón carente de fricción se mueve libremente entre dos conjuntos de topes. Cuando el pistón descansa sobre los topes inferiores, el volumen interior es de 400L. cuando el pistón llega a los topes superiores el volumen interior es de 600L. inicialmente el cilindro contiene agua a 100KPa, con calidad del 20%. El sistema se calienta hasta que el agua pasa a ser vapor saturado. Si para moverse contra la presión del medio ambiente y la masa del pistón requiere una presión de 300KPa. Determine: a. Presión final del cilindro b. Transferencia de calor y trabajo en el proceso global. Rpta: a) P=361,3KPa ; b) 2079,74 KJ

15. El trabajo y el calor por grado de cambio de temperatura para un sistema cerrado es: dW/dT=80 W*seg/°C y dQ/dT=15 cal/°C, respectivamente. Determine el cambio de energía interna cuando la temperatura se eleva de 150°C a 250°C. Rpta:-1,72KJ 16. Un tanque bien aislado de 60 m3 contiene 200L de agua líquida a 75°C. El resto del tanque contiene vapor en equilibrio con el líquido. Un vapor agotado por otro proceso a presión de INGENIERIA QUÍMICA, AMBIENTAL, ALIMENTOS Y PETROQUÍMICA

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2 bar y 90% de calidad entra en el tanque hasta que la presión del mismo alcanza 2 bar. No hay perdida hacia el medio ambiente apreciables. Calcule la cantidad inicial de vapor, las masas de agua y vapor al final y la fracción de líquido en peso. Rpta:14.48 Kg ; 215,3 Kg; 67,5Kg; 0,76 17. Un tanque aislado que contiene 0.15 Kg de agua liquida y tiene una base de 0.25 Kg de cobre. Inicialmente el tanque y su contenido están a 30°C. a través de una corriente eléctrica de 10A y 12V se calienta el cobre por 100 segundos. Determine la temperatura final en °C para el tanque en su totalidad. Rpta:46,6°C 18. La figura muestra un tanque rígido que inicialmente contiene 3 Kg de CO2 a 500KPa. El tanque está conectado por medio de una válvula a un dispositivo cilindro pistón que inicialmente tiene 0.05 m3 de CO2. Debido a una falla en la válvula a pesar de estar cerrada permite una fuga de CO2 hasta que la presión cae a 200KPa. El peso del pistón y la atmosfera mantienen la presión dentro el cilindro a 200KPa. Por transferencia de calor la temperatura en todo el sistema tanque cilindro se mantiene a 290 K durante todo el proceso. Asumiendo comportamiento ideal determine el trabajo y calor involucrados en KJ.

Rpta: 98.6 KJ; 98.6 KJ 19. (I-2018) Calcular el trabajo total del ciclo realizado por los siguientes procesos: Desde el estado 1 P1=0,7 bar V1=0.3 m3, mediante un proceso mediante el cual P=KV la sustancia triplica su presión (2), luego mediante un proceso isométrico su presión se reduce a sus 2/3 partes (3), a continuación isobáricamente se reduce su volumen hasta su valor inicial (4) y por ultimo su presión se reduce a V=ctte a su valor inicial.

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