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• Enrique Macao

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NOMBRE: Alexis Barbecho/David Montero/Diego Criollo Javier Belduma/José Lozano CARRRERA: Ing. Mecánica MATERIA: Termodinamica l DOCENTE: Ing. Fran Reinoso CICLO: Séptimo

AÑO LECTIVO 2015 – 2016

1. Introducción En el siguiente trabajo se reforzara las propiedades termodinámicas con ejercicios propuestos y análisis de los mismos. La termodinámica es una rama de la Ingeniería que se ocupa del estudio de las transformaciones e interacciones de la energía en formas de CALOR (Q) y de TRABAJO (W). Existen sistemas termodinámicos cerrados y sistemas termodinámicos abiertos.

2. Objetivos 



Analizar mediante cálculos y tablas, los diferentes sistemas termodinámicos ya sean abiertos o cerrados, para poder describir que tipo de trabajo realiza cada sistemas. Desarrollar programas computacionales para los diferentes sistemas termodinámicos utilizando diferentes programas para poder analizar el comportamiento de cada problema termodinámico.

3. Marco Teórico SISTEMA ABIERTO Sistema abierto de control es una región seleccionada en el espacio que por lo común encierra un dispositivo que comprende un flujo de masa como un compresor, una turbina entre otros. Tanto la masa como la energía pueden cruzar la frontera de un volumen de control la cual se denomina superficie de control. Ejemplos de sistemas abiertos, el motor de un auto (necesita gasolina), la tierra (necesita de la luz y calor del Sol), un vela quemando se. La mayoría de los sistemas son abiertos.

SISTEMA CERRADO O MASA DE CONTROL Consiste en una cantidad fija de masa que de ella puede cruzar su frontera, ninguna masa puede encontrar o abandonar un sistema cerrado pero la energía en forma de calor o trabajo puede cruzar la frontera y el volumen de un sistema cerrado no tiene que ser fijo.

PROPIEDADES TERMODINÁMICAS En ingeniería, las variables medidas comúnmente son presión, flujo másico y temperatura, y a partir de ellas se desarrollan cálculos para determinar el valor de otras variables útiles para describir el sistema con el que se esté trabajando, tales como el calor transferido. 



Temperatura. La temperatura de un cuerpo es una función directa de la energía cinética de sus moléculas, y se utiliza como una medida indirecta de la cantidad de calor transferido en un proceso. La temperatura es la fuerza impulsora para la transferencia de energía en forma de calor. Presión La presión ejercida por un fluido sobre una superficie se define como la fuerza normal ejercida por el fluido por unidad de área de superficie, lo que se representa mediante la ecuación P = F / A = mg / A = Ahg / A = hg

4. Desarrollo 3.1 Seleccione un tipo de sistema adecuado, cerrado (masa de control) o abierto (volumen de control), para el análisis termodinámico de cada uno de los siguientes dispositivos realizando las operaciones descritas: a. Calentamiento de alimentos en una olla bien tapada. En este caso se tiene un sistema cerrado, en este análisis se toma una masa de control, en la que no se intercambia masa alguna, únicamente se transfiere energía en forma de calor. b. Inflado de un globo con aire. Para este caso es un sistema abierto, porque se debe tomar un volumen de control analizando un flujo másico, en este sistema se tiene un intercambio de masa y energía a través del sistema y el alrededor. La masa que se transfiere sería el aire que ingresa al globo y el trabajo seria la acción del globo de expandirse gracias a su elasticidad.

c. Bombeo de agua desde una cisterna hasta un tanque elevado por una bomba centrífuga. Para este ejemplo también se considera como un sistema abierto, porque se está intercambiando masa y energía. La masa en este caso es el agua que sale a una diferente velocidad y presión. La energía se transforma en trabajo que sera el de elevar el agua a una altura determinada. Para el estudio de este sistema se toma un volumen de control, es decir un flujo másico. d. Generación de vapor en una caldera de tubos de fuego, el agua entra continuamente se calienta, se vaporiza y es entregada como un flujo continuo de vapor. Para este tipo de sistema se lo considerara abierto, porque se está intercambiando masa y energía. La masa intercambiada será el líquido que se convierte en vapor y la energía será liberada en forma de calor que seguramente generara un trabajo determinado. Para este análisis se toma también un volumen de control, tomando en cuenta un flujo másico y flujo volumétrico. 2.2 Desarrolle un programa computacional sencillo (Excel, Matlab, EES, etc.); para realizar el análisis de los siguientes ejemplos de aplicación de nuestro texto guía: 3.54 y 3.126; (pag. 157), correspondiente al capítulo III del texto base: CENGEL Y. y BOLES M. Termodinámica, Séptima Edición, McGraw – Hill, México, 2012. Ejercicio 3-54 Regresé al problema 3-53. Use el programa EES (u otro) para investigar el efecto de la presión sobre la masa total de agua en el recipiente. Deje variar la presión de 0.1 MPa hasta 1 MPa. Represente en un diagrama la masa total de agua en función de la presión, y describa los resultados. Muestre también el proceso del problema 3-53 en un diagrama P-v usando la función de dibujar propiedades, en EES. 3-53 Un dispositivo de cilindro-embolo contiene 0.005𝑚3 de agua liquida y 0.9𝑚3 de vapor de agua en equilibrio a 600 KPa. Se transmite calor a presión constante, hasta que la temperatura llega a 200 °C. Diagrama presión-masa total. Datos: En la siguiente tabla se muestran los valores de temperatura de saturación, volumen específico del líquido, volumen especifico del gas. Seguidamente se calcula la masa en cada presión, partiendo de los datos dados por el problema, que son: Contiene 0.005𝑚3 de agua liquida y 0.9𝑚3 de vapor de agua en equilibrio, con esto se calcula las masas del líquido y del vapor. Finalmente se calcula la masa total, que será la suma de la masa del líquido y del vapor. Con lo que se realizara el grafico de presión y masa.

Presion (Kpa)

Temp de sat. (°C)

Volumen f (m^3/kg)

Volumen g Masa f (kg) (m^3/kg)

Masa g (kg)

Masa total (kg)

0,1

99,61

0,001043

1,6941

4,794

0,531

5,325

0,2

120,21

0,001061

0,88578

4,713

1,016

5,729

0,3

133,52

0,001073

0,60582

4,660

1,486

6,145

0,4

143,61

0,001084

0,46242

4,613

1,946

6,559

0,5

151,83

0,001093

0,37483

4,575

2,401

6,976

0,6

158,83

0,001101

0,3156

4,541

2,852

7,393

0,7

164,95

0,001108

0,27278

4,513

3,299

7,812

0,8

170,71

0,001115

0,24035

4,484

3,745

8,229

0,9

175,35

0,001121

0,21489

4,460

4,188

8,648

1

179,88

0,001127

0,19436

4,437

4,631

9,067

Gráficamente se puede determinar que la masa total del agua aumente en forma proporcional a la presión aplicada sobre ella, estas dos variables en este caso se comporta de una manera lineal. Esto es coherente a los principios de la termodinámica, porque mientras aumentamos la presión también se está aumentando la temperatura lo cual hace que el líquido se expanda y por ende aumentara la masa.

Diagrama presión-volumen. Para el siguiente grafico del ejercicio, se ha partido de datos de volumen del texto, se calcula el volumen total para cada presión.

Volumen a 200 Presión grados (m^3) Volumen total(m^3) (KPa) 2,1724 11,57 0,1 1,08049 6,19 0,2 0,71643 4,40 0,3 0,53434 3,50 0,4 0,42503 2,96 0,5 0,35212 2,60 0,6 0,3065 2,39 0,7 0,26088 2,15 0,8 0,233415 2,02 0,9 0,20602 1,87 1

ANALISIS DE PRESION Y VOLUMEN, EN AGUA A 200°C 1.2

PRESION (KPa)

1

1.87, 1 2.02 2.15 2.39 2.60 2.96 3.50

0.8 0.6 0.4

4.40 0.2

6.19 11.57

0 0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

VOLUMEN TOTAL (m^3)

Analizando el comportamiento del volumen con respecto a la presión, se determina que a medida que aumenta la presión disminuye el volumen, pero no de una manera lineal.

3.126 regrese al problema 3-125 use un programa EES (u otro) para investigar el efecto de la temperatura de los alrededores sobre la presión de equilibrio final en los recipientes. Suponga que la temperatura de los alrededores varía de -10 a 30 °C. Trace la gráfica de la presión final de los recipientes en función de la temperatura de los alrededores, y describa el resultado. Ejercicio 3-126 Para el siguiente grafico del ejercicio, se ha partido de los datos del ejercicio 3125. Datos calculados del ejercicio 3.125:

Vtotal = 𝟏 𝒎𝟑 ma = 𝟎. 𝟏𝟔𝟓 𝑲𝒈 mb = 𝟎. 𝟎𝟓𝟔 𝑲𝒈 mtotal = 𝟎. 𝟐𝟐𝟏𝟖 𝑲𝒈 R = 4.124

𝑘𝑃𝑎.𝑚3 𝐾𝑔.𝐾

Para lograr el cambio de presión de acuerdo a la temperatura de los alrededores se procedió a utilizar la fórmula de los gases ideales. 𝑷=

𝒎𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 ∗ 𝑹 ∗ (𝑻 + 𝟐𝟕𝟑) 𝑽

Temperaturas -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Presión 240,566942 245,140458 249,713974 254,28749 258,861006 263,434522 268,008038 272,581554 277,15507 281,728586 286,302102 290,875618

ANALISIS PRESION-TEMPERATURA 350 300

Presion [P]

250 200 Presion

150 100 50 0

-20

0

20

40

60

Temperatura [T]

Analizando el comportamiento de la presión con respecto al temperatura, se determinó que a medida que aumenta la temperatura también aumenta la presión, pero no de una manera lineal.

5. Conclusiones

6. Bibliografía