• Author / Uploaded
• evelyn ibaceta

• Categories
• Termodinámica
• Segunda ley de la termodinámica
• Temperatura
• Propiedades termodinámicas.
• Ingeniería mecánica

Citation preview

PUNTAJE

PUNTAJE OBTENIDO

Identifican procesos válidos como aquellos que satisfacen tanto la primera como la segunda ley de la termodinámica.

1

0,00

Describen el ciclo ideal de Carnot y su extensión a máquinas térmicas.

1

1,00

Aplican la segunda ley de la termodinámica a ciclos y dispositivos cíclicos.

1

1,00

Calculan las eficiencias térmicas y los coeficientes de desempeño.

2

2,00

Aplican el balance de entropía a varios sistemas

1

1,00

Calculan los cambios de entropía durante los procesos.

2

2,00

Aplicar el balance de exergía a los sistemas cerrados y volúmenes de control.

1

0,00

9

7,00

INDICADORES DE EVALUACIÓN

Puntaje total

Segunda Ley de Termodinámica, Entropía y Exergía Termodinámica Instituto IACC 2/12/19

Desarrollo  Responda fundamentalmente las siguientes interrogantes: a) Describa un proceso imaginario que satisfaga la primera ley pero que viole la segunda ley de la termodinámica. R= el proceso que realiza un hervidor eléctrico, ya que a este contiene agua y al ponerlo a la corriente eléctrica provoca que el agua se evapore, proceso con el cual tenemos en un principio la Primera Ley y al producirse la perdida de liquido producto de la evaporación no cumple la Segunda ley de la Termodinámica. b) ¿Cuáles son los cuatro procesos que constituyen el ciclo de Carnot? Este ciclo está conformado por los siguientes cuatro procesos reversibles:  Expansión Isotérmica (Proceso 1-2 a Ta constante): Inicialmente el gas se encuentra a temperatura Ta (estado 1) y la cabeza del cilindro se encuentra en contacto con una fuente a esa misma temperatura.  Expansión Adiabática (Proceso 2-3 la temperatura baja de Ta a Tb): Al llegar al estado 2, se coloca de nuevo el aislamiento en la cabeza del cilindro para volverlo adiabático y entonces se deja que el gas continúe su expansión lentamente y realice trabajo hasta que alcanza la temperatura Tb.  Compresión Isotérmica (Proceso 3-4 a Tb constante): Es el estado 3 se retira de nuevo el aislamiento de la cabeza del cilindro y se coloca ahora en contacto con un sumidero a baja temperatura (Tb).  Compresión Adiabática (Proceso 4-1 temperatura aumenta de Tb a Ta): En el estado 4, el gas se encuentra a una temperatura Tb y de nuevo se aísla la cabeza del

Commented [HM1]: Acá lo que ocurre es una transformación de energía y cambio de fase no ocurre violación de ninguna ley

cilindro para, esta vez, comprimir el gas de forma adiabática hasta que alcance la temperatura Ta y se complete el ciclo.

Commented [HM2]: 1 pto

c) Considere dos plantas eléctricas reales que operan con energía solar. Una planta recibe energía de un estanque solar a 80 °C, y la otra la recibe de colectores concentradores que elevan la temperatura del agua a 600 °C. ¿Cuál de estas plantas eléctricas tendrá una eficiencia más alta? Explique. R= Si consideramos el ciclo de Carnot, podemos determinar que la planta solar que recibe la energía de los cuales se encuentran a una temperatura de 600°C, tendrá una eficiencia mayor debido a que mayor temperatura significa una mayor eficiencia técnica.

 Se usa una bomba de calor para mantener una casa a una temperatura constante de 23°C. La casa pierde calor hacia el aire exterior a través de las paredes y las ventanas a una tasa de 85,000 kJ/h, mientras que la energía generada dentro de la casa por las personas, las luces y los aparatos domésticos es de 4,000 kJ/h. Para un COP de 3,2, determine la potencia necesaria para la operación de bomba de calor.

R= Tc = 23°C Tasa de calor = 85,000 KJ/h

Commented [HM3]: 1 pto

Energía generada = 4,000 KJ/h COP = 3,2 Lo primero que debemos hacer es convertir de KJ/h a KW, sabiendo que, W= QH / COP 1KW= 3,600 KJ/h 85,000 KJ/h – 4,000KJ/h = 81,000 KJ/h Regla de 3. 1KW – 3,600KJ/h X?

- 81,000 KJ/h

X = [(81,000KJ/h) (1KW)]/3,600KJ/h X = 22,5 KW QH = 22,5 KW W = 22,5 KW / 3,2 W = 7,03125 KW

 Se usa un acondicionador de aire con refrigerante 134a como fluido de trabajo para mantener un dormitorio a 23 °C, rechazando el calor de desecho al aire exterior a 37 °C. El cuarto gana calor a través de las paredes y las ventanas a razón de 250 kJ/min, mientras que el calor generado por la computadora, la TV y las luces es de 900 W. El refrigerante entra al compresor a 400 kPa como vapor saturado a razón de 100 L/min y sale a 1.200 kPa y 70 °C. Determine: a) El COP real = COP r =

𝑄𝑏 𝑊 𝑛𝑒𝑡𝑜 ;𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

COPr = 250KJ/min + (0,9 KJ/seg * 60seg/1min) = 304 KJ/min. Balance de energía.

Commented [HM4]: 0,5 ptos

Mh1 + W entrada = mh2 Wentrada = 𝑚̇ (h2 -h1) 𝑚𝑐 ̇ = 1/ v g a 400 kPa* V V g a 400 kPa  𝑚̇ = 1/ 0,01201 ms/kg(0.1ms/min) = 1,95 kg/min  H1 = hg a 400 v (g a 400 kPa) kPa = 255,55 KJ/kg  H2 = hg a 1200 kPa = 300,11 KJ/kg W entrada = ( 1.95 kg/ min ) * ( 300.11 – 255.55) KJ/ kg W entrada = 86,9 KJ/ min. COP r = Qb/ W neto; entrada = 304 KJ/ min / 86,9 KJ/min COP r = 3,5 b) El COP máximo. 1

𝐶𝑂𝑃𝑅 𝑑𝑒 𝐶𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡=

Ta

-1

Tb

1

𝐶𝑂𝑃𝑅 𝑑𝑒 𝐶𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡= 310

-1

= 21.143

296

c) El flujo volumétrico mínimo del refrigerante en la entrada del compresor para las mismas condiciones de entrada y salida del compresor. C) 𝑉̇L/min COPR =

𝑄𝑏 𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜;𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

𝑊̇ entrada neto=

mmin =

KJ min

304

21,14 KJ min

=

=14.38

14,38

KJ min

(300.11−255.55)

KJ min

= 0.322

KJ

min

𝑉̇ min = 𝑚̇vg a 400kPa 𝑘𝑔 1000L 𝑉̇ min =(0.322 )( 0,051201m2 )( 2 )= 𝑚𝑖𝑛

V min16,48

kg

1m

L min

 Un dispositivo aislado de cilindro-émbolo contiene 5 L de agua líquida saturada a una presión constante de 150 kPa. Un calentador de resistencia eléctrica dentro del cilindro se enciende y se transfiere una energía de 2.200 kJ al agua. Determine el cambio de entropía del agua durante este proceso. R= según datos entregados tenemos que: V =5L P =150 kPa

Commented [HM5]: 1,5 ptos

W= 2.200KJ  Con el dato de presión, sacamos de la tabla termodinámica A5, agua saturada, tabla de presiones vf, hf y sf V1 = 0.001053m3/kg h1 = 467.13 KJ/kg s1 = 1.4337 KJ/kg *K  Calcular la masa. 0.005m3

𝑉

m =𝑣 = 0.001053m3/kg = 4.75 kg 𝑓

 Balance de energía. we =m (h2-h1) Despejamos h2 𝑤

h2=h1 + 𝑚𝑒 = 467.13 KJ/kg +

2.200KJ 4.75kg

= 930.33KJ/kg

 Con la presión 2 y la entalpía 2, calculamos primero la calidad 2 y luego la entropía. x2 =

h2−h

f

hfg

=

930.33−467.13 2226

=0.2080

s2 =sf +x2sfg= 1.4337+ (0.2080)(5.7894)= 2.6378

KJ

kg

*K

 Calculamos el cambio de entropía del agua durante este proceso. 4.75𝑘𝑔(2.6378−1.4337)𝐾𝐽

Δs =m (s2 –s1) =

𝑘𝑔𝐾

= 5.7KJ/K

 Se expande vapor de agua de una manera estacionaria en una turbina a un flujo másico de 40.000 kg/h, entrando a 8 MPa y 500 °C y saliendo a 40 kPa como vapor saturado. Si la potencia generada por la turbina es de 8,2 MW, Determine la tasa de generación de entropía para este proceso. Suponga que el medio ambiente está a 25 °C.

Commented [HM6]: 1 pto

R= según datos entregados tenemos que: P1= 8MPa T1= 500°C h1= 3399.5 KJ/kg s2= 6.7266 KJ/kg*K P2=40kPa Saturación de vapor h2= 2636.1 KJ/kg s2=7.6691 KJ/kg*K E entrada – E salida =Δsistema= 0 Eentrada= Esalida 𝑚̇1h1=𝑄̇ salida+𝑊̇ salida + 𝑚̇h2 Q salida = 𝑚̇(h1 – h2) - 𝑊̇ salida Q Salida = (40000/3600kg/s) (3399.5 - 2636.1)KJ/kg – 8200KJ/s =282.14KJ/s S

entrada-

Ssalida+ Sgen =ΔSsistema= 0

𝑚̇s1 - 𝑚̇s2 – Q salida/Tb,sur + Sgen = 0

Sgen = 𝑚̇s1 - 𝑚̇s2 - Qsalida/Tb,sur Sgen = (40000/3600kg/s)(7.6691- 6.7266) KJ/kg * K + 282.14KW/298K Commented [HM7]: 2 ptos

Sgen = 11.41KW/K

 Un dispositivo aislado de cilindro-émbolo contiene inicialmente 20 L de aire a 140 kPa y 27 °C. Ahora se calienta aire durante 10 minutos mediante un calentador de resistencia de 100 W colocado dentro del cilindro. La presión del aire se mantiene constante durante este proceso, y el entorno está a 27 °C y 100 kPa. Determine la exergía destruida durante este proceso. 𝑄alred To

R= Xdestruida =To Sgen=To m (s2 – s1)+

Xdestruida = 300K 20kg (2,58810 -1.70203)kJ/kg*K) + 100kJ/300K Xdestruida = 7320 KJ.

Commented [HM8]: Ver solución anexa

Se considera que el aire es un gas ideal y para esa condición la constante de gases es R = 0,2870 kJ/kg.K = 0,287 kPa.m3/kg.K A la condición inicial, 27°C = 300 K y 140 kPa las propiedades del aire son:

Calculando la masa de aire se tiene: 𝒎𝟑 𝟏𝟒𝟎 𝒌𝑷𝒂 (𝟐𝟎 𝑳 𝑷𝟏 𝑽𝟏 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝑳) = 𝟎, 𝟎𝟑𝟐𝟓 𝒌𝒈 𝒎= = 𝟑 𝒌𝑷𝒂. 𝒎 𝑹𝑻𝟏 𝟎, 𝟐𝟖𝟕 (𝟑𝟎𝟎 𝑲) 𝒌𝒈𝑲 El trabajo realizado se determina mediante:

𝑾𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 = 𝑾̇𝒆 ∆𝒕 = 𝟏𝟎𝟎𝑾

𝒌𝑱 𝒔 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝑾

. (𝟏𝟎 𝒎𝒊𝒏𝒖𝒕𝒐𝒔 ∗ 𝟔𝟎 𝒔) = 𝟔𝟎 𝒌𝑱

En el estado 2 la entalpía se calcula a partir del trabajo realizado 𝑾𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 = 𝒎 (𝒉𝟐 − 𝒉𝟏 )

𝒉𝟐 =

𝑾𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 + 𝒉𝟏 𝒎

𝟔𝟎 𝒌𝑱 𝒌𝑱 + 𝟑𝟎𝟎, 𝟏𝟗 = 𝟐𝟏𝟒𝟔, 𝟑𝟒 𝒌𝑱/𝒌𝒈 𝟎, 𝟎𝟑𝟐𝟓 𝒌𝒈 𝒌𝒈 Teniendo la entalpía, se determina la entropía a partir de las tablas de aire, por interpolación para una entalpía de 2146,34 kJ/kg, se tienen las siguientes condiciones: 𝒉𝟐 =

𝑻𝟐 = 𝟏. 𝟗𝟏𝟓, 𝟐𝟎 𝑲

𝒔𝟎𝟐 = 𝟑, 𝟕𝟒𝟓𝟐

𝒌𝑱 𝒌𝒈𝑲

Entonces la entalpía generada es: 𝑺𝒈𝒆𝒏 = ∆𝑺 = 𝒎 𝒔𝟎𝟐 − 𝒔𝟎𝟏 = 𝟎, 𝟎𝟑𝟐𝟓 𝒌𝒈 (𝟑, 𝟕𝟒𝟓𝟐 − 𝟏, 𝟕𝟎𝟐𝟎)

𝒌𝑱 = 𝟎, 𝟎𝟔𝟔𝟒 𝒌𝑱/𝑲 𝒌𝒈𝑲

Entonces la exergía destruida se determina mediante: 𝑋𝑑𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑖𝑑𝑎 = 𝑇0 . 𝑆𝑔𝑒𝑛 = 300𝐾 0,0664

𝑘𝐽 = 19,92 𝑘𝐽 𝑘

Bibliografía

Material entregado por Iacc correspondiente a semana 4: https://learn-us-east-1-prod-fleet01-xythos.s3.us-east1.amazonaws.com/5bfc47e587d3b/122079?response-contentdisposition=inline%3B%20filename%2A%3DUTF8%27%27S4_Contenido%2520Semana%25204.pdf&response-contenttype=application%2Fpdf&X-Amz-Algorithm=AWS4-HMAC-SHA256&X-AmzDate=20191202T151002Z&X-Amz-SignedHeaders=host&X-Amz-Expires=21600&X-AmzCredential=AKIAIBGJ7RCS23L3LEJQ%2F20191202%2Fus-east1%2Fs3%2Faws4_request&X-AmzSignature=6b0763f6551fc61b9e35acbc0bb27eaf2011c19e4ec42f4d8bdd2bdee2da8781 https://learn-us-east-1-prod-fleet01-xythos.s3.us-east1.amazonaws.com/5bfc47e587d3b/122129?response-contentdisposition=inline%3B%20filename%2A%3DUTF8%27%27S4_Glosario%2520de%2520t%25C3%25A9rminos%2520%2520semana%25204.pdf&response-content-type=application%2Fpdf&X-AmzAlgorithm=AWS4-HMAC-SHA256&X-Amz-Date=20191202T150843Z&X-AmzSignedHeaders=host&X-Amz-Expires=21600&X-Amz-

Credential=AKIAIBGJ7RCS23L3LEJQ%2F20191202%2Fus-east1%2Fs3%2Faws4_request&X-AmzSignature=434b36690791a233196c414e2fd448bc6fa68844c4f0d516eca780b74fe45b55 https://learn-us-east-1-prod-fleet01-xythos.s3.us-east1.amazonaws.com/5bfc47e587d3b/122131?response-contentdisposition=inline%3B%20filename%2A%3DUTF8%27%27S4_Ejemplos%2520y%2520ejercicios%2520resueltos%2520%25204ta%2520semana.pdf&response-content-type=application%2Fpdf&X-AmzAlgorithm=AWS4-HMAC-SHA256&X-Amz-Date=20191202T150846Z&X-AmzSignedHeaders=host&X-Amz-Expires=21600&X-AmzCredential=AKIAIBGJ7RCS23L3LEJQ%2F20191202%2Fus-east1%2Fs3%2Faws4_request&X-AmzSignature=a30bb967ba893ea79e9fea67a9f4b9163339b6cec7de3d64ac87bcef0b0aca99 https://learn-us-east-1-prod-fleet01-xythos.s3.us-east1.amazonaws.com/5bfc47e587d3b/122133?response-contentdisposition=inline%3B%20filename%2A%3DUTF8%27%27S4_Formulario%2520semana%25204.pdf&response-contenttype=application%2Fpdf&X-Amz-Algorithm=AWS4-HMAC-SHA256&X-AmzDate=20191202T150921Z&X-Amz-SignedHeaders=host&X-Amz-Expires=21600&X-AmzCredential=AKIAIBGJ7RCS23L3LEJQ%2F20191202%2Fus-east1%2Fs3%2Faws4_request&X-AmzSignature=d5b8bf0cd2b147c166157dc59dd815c295e7acc2fb7e5cb945127cc01c6118c8 https://www.youtube.com/watch?v=sh2zWm6Ri3E&feature=youtu.be https://www.youtube.com/watch?v=yHyeHdR1m5w

https://www.youtube.com/watch?v=zT6l-aJiDjk https://www.youtube.com/watch?v=bO7TjSDzRZ0