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Primer principio de la termodinámica

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Anibal Arancibia

on 29 March 2016

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Transcript of Primer principio de la termodinámica

hidrógeno se comporta como un gas ideal
Se desea obtener hidrógeno a una temperatura de 65,5ºC y 56,2kg/cm2
Para ello se cuenta con un sistema cilindro pistón que contiene hidrógeno a 23,9 ºC y ocupando 0,0566m3
La masa del pistón ejerce una presión sobre el gas de 56,2 kg/cm2 abs
Para calentar lenta y homogeneamente el hidrogeno se utiliza un agitador
No hay perdida de calor por las paredes
No hay rozamiento entre pistón y cilindro.
Determinar:
Cuanta energía necesitaremos.
photo credit Nasa / Goddard Space Flight Center / Reto Stöckli
Ejemplo 1
SISTEMAS CERRADOS
Primera Ley de la termodinámica
SISTEMAS ABIERTOS
La energía no se crea ni destruye.
sólo se transforma
-Energía cinética de:
translación de las moléculas
rotación de las moléculas
vibración dentro de las
moléculas
- Energía almacenada en
los enlaces químicos
- Energía almacenada en los niveles atómicos:
estados orbitales de los líquidos
espines nucleares
fuerzas de ligadura de nucleo

Transferencia de energía
Energía del sistema
Una transferencia neta de energía a través de la frontera del sistema se manifestará por el cambio de una o más de las distintas formas macroscópicas de energía
-
-
Cv y Cp constantes
Objetivo: Observar la relación entre la transferencia de trabajo a un sistema y la variación de la energía interna del sistema.
Trabajo => Trabajo neto intercambiado
Trabajo debido al cambio de Volumen
Rotación de un eje
Potencial eléctrico
etc...
Resumiendo
tabla
(no hay transferencia de masa a través de su frontera)
Objetivo: Observar la relación entre la transferencia de calor a un sistema y la variación de la energía interna del sistema
Una masa de 14,8kg de vapor de agua
Se encuentra a una presión de 4,85 kg/cm2 ocupando un volumen de 1,75m3
Si intercambia calor isotérmicamente hasta que la entalpía vale 663 kcal/kg
Determinar:
dU | W entregado | W neto | dH
Ejemplo 2
Dos propiedades extensivas independientes definen un estado
Vapor saturado húmedo a 150ºC
h1=302 kcal/kg
Como vimos. Toda la energía entregada al sistema en forma de trabajo fue devuelta tanto en forma de trabajo de flujo, como en forma de aumento de U
Conclusión
-
Otra forma de resolverlo
DATOS HIDRÓGENO
M = 2016 kg/kmol
R = 420,8 kgm/kgºK
Cv = 2,4354 kcal/kgºK
Cp = 3,421 kcal/kgºK
Se diseña una turbina de vapor adiabatica, de flujo constante, para que sea fuente de energia de un generador electrico.
A la entrada de la turbina se tiene vapor a 10kg/cm2, 540ºC y una velocidad de 80 m/seg.
A la salida de la turbina las condiciones del vapor son de 1kg/cm2, 370ºC y 30 m/seg.
El flujo es de 2,5kg/seg.
--------------------------------------------------
¿Cuanto trabajo puede entregar la turbina?
¿Cual es la variacion de la entropia?
Ejercicio 1
Objetivo: Aplicacion del 1er principio en un caso practico de un sistema abierto
Conclusiónes
Resumiendo
Estados 1 y 2 completamente definidos
Comparacion entre la E de flujo y E cinetica
Aumento de la entropia
Se desea enfriar una masa de aire seco desde 300ºK hasta 290ºK disponiendo para ello de un intercambiador de calor de superficie y 140kg/h de anhidrido carbonico que se encuentra en estado liquido saturado a 6,65kg/cm2 abs.
Suponiendo que el CO2 salga del intercambiador a 5,62kg/cm2 abs y 10ºC y que el aire penetra a una presion ligeramente superior a la atmosferica y salga a presion atmosferica.
------------------------------------------
¿Cual seria la mayor cantidad de aire que puedo enfriar?
¿Cuanto vale el calor intercambiado?
Ejercicio 5
Objetivo: Conocer el funcionamiento termodinamico de un intercambiador de calor
Resumiendo
Conclusiónes
Estados 1 y 2 completamente definidos
funcionamiento de un intercambiador de calor
CO2
Estados 1 y 2 completamente definidos
Aire
Ejercicio 7
Objetivo: Aplicacion del 1er principio en un caso practico de un sistema abierto
Resumiendo
Conclusiónes
Una turbina es impuldsada por 4600 kg/h de vapor que entra a la misma con 45kg/cm² abs, 450ºC y 6 m/s. El vapor abandona el escape de la turbina situado 3m por debajo de la entrada a 366m/seg. El trabajo producido por la turbina en el eje es de 940 CV y la pérdida de calor ha sido estimada en 0,252 x 10⁵ kcal/h. Una pequeña parte del vapor de escape se hace pasar a través de una válvula de estrangulación y se descarga a presión atmosférica, se desprecian los cambios de velocidad a través de la válvula.
---------------------------------------------------------
Temperatura de vapor a la salida de la válvula
El estado de saturación del vapor a la salida de la válvula

Estados 1 y 2 completamente definidos
Comparacion entre la E de flujo y E cinetica
Aumento de la entropia

Ejercicio 9
Objetivo: Aplicacion del 1er principio en un caso practico de un sistema abierto en regimen transitorio
Resumiendo
Conclusiónes
Un cilindro de 0,283 m³ contiene inicialmente Nitrógeno a una presión de 10 atm abs y una Temperatura de 230ºK. Se abre una válvula que lo conecta a otro cilindro de 0,283m³ totalmente vacío.
----------------------------------------------------------
Al momento de equilibrarse las presiones
Temperatura y presión final (se considera que no hay intercambio de calor con el medio)
Estados 1 y 2 completamente definidos
Comparacion entre la E de flujo y E cinetica
Aumento de la entropia

Un tanque de aire comprimido contiene inicialmente aire a 1 atm y 21ºC. Se abre una valvula que lo conecta a la red de aire comprimido que se encuentra a 50 atm y 21ºC. El cilindro se llenará hasta alcanzar una presión de 40 atm. El llenado es rápido pdiendose considerar adiabático.
------------------------------------------
La Temperatura del tanque una vez lleno.
Una vez lleno el aire se enfría hasta 21ºC. Cual sería la presion en ese momento.
Ejercicio 2
Objetivo: Analisar el comportamiento de un sistema abierto en regimen transitorio
hay transferencia de masa y energia a través de su frontera
Energia acumulada en el sistema
Diferencia entre la energia entrante y saliente del sistema a traves de su frontera
Calor
Trabajo
Energia del flujo de materia entrante
Energia del flujo de materia saliente
ESTADO ESTACIONARIO
Flujo entrada y salida unico
ESTADO TRANSITORIO
su estado cambia con el tiempo al igual que los flujos de entrada y salida
Flujo entrada y salida constantes en el tiempo
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