236158111 calor y trabajo

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31-5-2014 INGENIERÍA MECÁNICA DOCENTE: Edilbrando Vera Calderón INTEGRANTES: Carrillo Martos, José Ávila Urquiza, Wilmer Muñoz Muñoz, edgar Rojas Urrutia, Hugo CURSO: Máquinas Térmicas CICLO: VII 2014

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calor y trabajo

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Page 1: 236158111 Calor y Trabajo

INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA

DOCENTE:Edilbrando Vera Calderón

INTEGRANTES:

Carrillo Martos, José

Ávila Urquiza, Wilmer

Muñoz Muñoz, edgar

Rojas Urrutia, Hugo

CURSO:

Máquinas Térmicas

CICLO:

VII

2014

31-5-2014

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1. CALOR Y TRABAJO

           Son intercambios energéticos que tienen lugar como consecuencia de las

interacciones que pueden experimentar los sistemas termodinámicos. Tanto el

calor como el trabajo son manifestaciones externas de la energía y únicamente se

evidencian en las fronteras de los sistemas y solamente aparecerán cuando estos

experimenten  cambios en sus estados termodinámicos. En las interacciones que

experimentan los sistemas, estos pueden recibir o ceder energía. La energía se

considera como una magnitud algebraica estableciéndose el siguiente criterio:

trabajo que proporciona el sistema positivo y el que recibe negativo. Así mismo, el

calor suministrado al sistema se considera positivo y el cedido por él negativo.

A. TRABAJOa) Definición mecánica

Es el producto de una fuerza por la distancia recorrida en la dirección de la fuerza.

W=∫x 1

x 2

Fdx

b) Definición termodinámica

El trabajo es una transferencia de energía, es decir, es un paso de energía de

un sitio a otro, no es algo que se tiene o se almacena.

El trabajo se localiza en la frontera del sistema, es una entrada o salida por las

paredes del sistema, y no se refiere al interior de éste.

Está asociado al cambio de las variables macroscópicas, como pueden ser el

volumen, la presión, la posición y velocidad del centro de masas, el voltaje,

etc. Se realiza trabajo cuando se acelera un objeto, cambiando la velocidad de

su CM. Por contra, si lo que se hace es aumentar la temperatura de un gas,

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incrementando la energía cinética de cada partícula, a este proceso lo

llamamos calor.

TRABAJO DE UN SISTEMA

El trabajo es la cantidad de energía transferida de un sistema a otro mediante

una fuerza cuando se produce un desplazamiento.

 Consideremos un arreglo cilindro-pistón que encierra una cierta masa de gas que

ejerce presión sobre la cara del pistón de superficie A. Si el pistón se desplaza

hacia la izquierda debido a la aplicación de una fuerza F externa se dirá que los

alrededores ejercen trabajo sobre el gas y su valor infinitesimal será:

∂W=∫x 1

x 2

Fdx

Diciéndose en este caso que el gas ha sido comprimido

El trabajo se puede expresar como

∂W=Fdx

∂W=PAdx

∂W=PdV

El trabajo total se calcula como

W=∫v 1

v 2

PdV

Para lo cual se hace preciso el conocimiento de la función  P = P(V) que relacione la presión con el volumen a lo largo de todo el proceso de interacción

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PROCESOS TERMODINÁMICOS

Proceso isócoroEn un proceso a volumen constante, dV = 0 y por tanto no se realiza trabajo sobre el sistema

Proceso isóbaro

∫ dW=∫v1

v2

PdV

w=P(Vf−Vi)

Proceso isotérmico

W=∫v 1

v 2

PdV

W=∫v 1

v 2RTnV

dV

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W=RTn∫v 1

v 2dVV

W=RTnV

W=RTn ln(VfVi )

Proceso adiabático

En termodinámica se designa como proceso adiabático a aquél en el cual

el sistema (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no

intercambia calor con su entorno.

El trabajo W realizado por el sistema se define como

B. CALOR

Es la forma de energía que se transmite a través del límite de un

sistema que está a una temperatura a otro sistema (o al medio

exterior) a una temperatura mas baja debido a la diferencia de

temperatura entre los dos sistemas.

             El calor es una función de trayectoria y su diferencial es inexacta, luego

∆Q=∆U+∆W

CAPACIDAD CALORÍFICA

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El calor específico es una magnitud física que se define como la cantidad de calor

que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema

termodinámico para elevar su temperatura en una unidad

Qce=m∗Ce∗∆T

CANTIDAD DE CALOR PARA CAMBIO DE FASE

El calor latente es la energía requerida por una cantidad de sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización). 

Ql=mLCantidad de calorMasaCalor latente

COMPARACION  ENTRE CALOR Y TRABAJO

Calor y trabajo son, ambos, fenómenos transitorios. Los sistemas nunca tienen

calor o trabajo, pero cualquiera o ambos cruzan los límites del sistema, cuando

éste sufre un cambio de estado.

Ambos, calor y trabajo, son fenómenos de límite. Ambos se observan solamente

en los límites del sistema y ambos representan la energía que cruza el límite del

sistema.

Ambos, calor y trabajo, son funciones de trayectoria y diferenciales inexactas.

Por convección +Q representa calor transferido al sistema y, que por tanto, es

energía añadida en él, y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto

representa energía que sale de él.

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1. VAPOR Y LÍQUIDO SATURADO

1) VAPOR SATURADO

Vapor saturado: es un vapor a punto de condensarse. Cualquier pérdida de

calor causará que algo de vapor se condense. Pues se divide en los siguientes

tipos

a) Título de vapor

Es el porcentaje de vapor / agua a temperatura de ebullición.

Por ejemplo: vapor con un título del 90% indica un 10% de agua en su contenido.

b) Vapor saturado húmedo

Es el generado en contacto con el agua. Nos referimos a él al decir simplemente

vapor.

c) Vapor saturado seco

Es el vapor a temperatura de ebullición con un 100% de título de vapor, es decir

que no contiene partículas de agua en suspensión. Es una calidad ideal de vapor.

d) Vapor sobrecalentado

Al vapor saturado producido por una caldera se lo recircula por un intercambiador

de calor sobreelevando la temperatura correspondiente a la presión de trabajo.

Este vapor es utilizado solamente en sistemas donde además de mayor

temperatura de intercambio se requiere un alto título de vapor para evitar

condensaciones que dañen los equipos donde se usa.

Vapor Saturado Húmedo

Con un porcentaje de agua.

Saturado Seco

100% seco a temperatura normal a su correspondiente presión.

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Sobrecalentado100% seco a temperatura superior a la que corresponde a su presión.

EJERCICIOS

1.-Una masa de 5Kg de vapor de agua saturada a 200KPa se calienta a presión ctte. Hasta que la T=300ºC. Calcule el trabajo realizado por el vapor durante este

proceso

2.-Un dispositivo de cilindro-émbolo sin fricción contiene inicialmente. 200 (L) de refrigerante 134ª líquido saturado. El émbolo tiene libertad para moverse y su masa es tal que

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mantiene una presión de 800 (kPa) sobre el refrigerante. Luego, el refrigerante se calienta hasta 50 (°C). Calcule el trabajo realizado durante este proceso.

SOBRECALENTADO

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3.- Una masa de 2,4 (kg) de aire a 150 (kPa) y 12 (°C) está contenida en, un dispositivo hermético de gas de cilindro-émbolo sin fricción. Después el aire le comprime hasta una presión final de 600 (kPa). Durante el proceso se transfiere calor desde el aire para que la temperatura en el interior del cilindro se mantenga constante. Calcule el trabajo ingresado durante este proceso.

4.- Durante un proceso de expansión, la presión de un gas cambia de 15 a 100 (psia) de acuerdo con la relación P = a V + b, donde a = 5 (psia/pie3 ) y b es una constante. Si el volumen inicial del gas es 7 (pie3 ), calcule el trabajo efectuado durante el proceso

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5.- EL dióxido de carbono contenido en un dispositivo de cilindro-émbolo se comprime de 0,3 a 0,1 (m3). Durante el proceso, la presión y el volumen se relacionan mediante P = Av-2, donde a = 8 (kPa . m6). Calcule el trabajo efectuado sobre el dióxido de carbono durante este proceso

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MÁQUINAS TERMICAS Y EFICIENCIA TÉRMICA

Una máquina térmica es un dispositivo que, operando de forma cíclica, toma de

calor de un foco caliente, realiza un cierto trabajo (parte del cual se emplea en

hacer funcionar la propia máquina) y entrega calor de desecho a un foco frío,

normalmente el ambiente.

Qneto=Qc –Q f

Para el cálculo de la potencia útil simplemente se multiplica el par producido por las rpm para el régimen del motor:

El cálculo del calor suministrado se realiza multiplicando el flujo másico de mezcla que ingresa a la cámara por el poder calorífico del combustible.

Rendimiento de una máquina térmica

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Se define el rendimiento de una máquina térmica según el principio general de “lo

que obtenemos dividido por lo que nos cuesta”. En este caso, “lo que obtenemos”

es el trabajo neto que sale de la máquina. “Lo que nos cuesta” es el calor que

entra procedente del reactor. Por tanto

ƞ=Wout ,netoQin

=Qin−QoutQin

=1−QoutQin

Ejercicios:

1) La energía solar almacenada en grandes cuerpos de agua, que se llaman estanques solares, se utiliza para generar electricidad. Si una planta de energía solar tiene una eficiencia de 4% y una generación neta de 350 kW, determine el valor promedio de la taza necesaria de recolección de energía solar, en BTU/h

2) En 2001, Estados Unidos produjo 51 por ciento de su electricidad, 1.878

X1012 kWh, en plantas con quemadores de carbón. Tomando la eficiencia

térmica promedio como 34%, determine la energía térmica rechazada por

las plantas eléctricas de carbón en ese año en Estados Unidos. Respuesta:

34%

CARBON1.878 X1012 kWh,

SUMIDERO

MT

HORNO

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3) El Departamento de energía proyecta que entre los años 1995 y 2010,

Estados Unidos necesitará construir nuevas plantas eléctricas para generar

una cantidad adicional de 150.000.000 MW de electricidad para responder

a la demanda creciente de potencia eléctrica. Una posibilidad es construir

plantas con quemadores de carbón, cuya construcción cuesta US $1.300

por kW y tienen una eficiencia de 34 por ciento. Otra posibilidad es usar las

plantas más limpias ecológicamente de Ciclo Combinado de Gasificación

Integrada (IGCC, por sus siglas en inglés), en las que el carbón se somete

a calor y presión para gasificarlo al mismo tiempo que se eliminan el azufre

y sus derivados. El carbón gasificado se quema luego en una turbina de

gas, y parte del calor de desecho de los gases de escape se recupera para

generar vapor para la turbina de vapor. Actualmente la construcción de

plantas IGCC cuesta alrededor de US $1.500 POR kW, pero su eficiencia

es alrededor de 45 por ciento. El poder calorífico promedio del carbón es

QS=3.646*1012KWh

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alrededor de 28.000.000 kJ por tonelada (es decir, se liberan 28.000.000 kJ

de calor al quemar una tonelada de carbón). Si la planta IGCC ha de

recuperar su diferencia de costo por ahorros en combustible en cinco años,

determine cuál debe ser el precio de carbón en US $ por tonelada.

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4) Repita el problema para el periodo de recuperacion simple de 3 años en

vez de 5 años

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5) Una planta eléctrica de carbón produce una potencia neta

de 300 MW con una eficiencia térmica total de 32 por

ciento. La relación real gravimétrica aire-combustible en el horno se calcula

que es 12 kg aire/kg de combustible. El poder calorífico del carbón es

28,000 kJ/kg. Determine a) la cantidad de carbón que se consume durante

un periodo de 24 horas y b) la tasa de aire que fluye a través del horno

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REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR

Refrigerador

Un refrigerador es un dispositivo que extrae calor de un foco que está más frío que

el ambiente (como el interior de un frigorífico, a 5°C) y lo vierte en el ambiente (a

22°C, por ejemplo). Para funcionar, un refrigerador requiere un trabajo adicional

Win, que aumenta el calor de desecho Qout que se entrega al ambiente

Un frigorífico o un aparato de aire acondicionado son ejemplos de refrigeradores.

En su uso habitual, lo que hacen los refrigeradores y aparatos de aire

acondicionado es principalmente, mantener constante la temperatura del interior

de una cámara o habitación, expulsado de forma continua el calor que va entrando

por las paredes (aparte, si se introduce un objeto caliente en un frigorífico, éste se

encarga de bajar la temperatura del objeto, consumiendo un trabajo adicional).

El ciclo simple de refrigeración por compresión del vapor consta de cuatro elementos:

Diagrama esquemático de un refrigerador

Diagrama esquemático de un refrigerador imposible.

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1. Evaporador: absorbe calor a baja temperatura haciendo hervir un líquido a baja

presión. El evaporador absorbe calor del lugar que se quiere mantener a baja

temperatura (foco frío).

2. Compresor: aumenta la presión del vapor, consume energía mecánica.

3. Condensador: desprende calor a sus alrededores cuando se condensa el vapor

a alta presión.

4. Reductor de presión (válvula): la alta presión del líquido formado en el

condensador Debe reducirse antes de que el mismo sea devuelto al evaporador.

BOMBA DE CALOR

Una bomba de calor es un dispositivo mecánico que transporta energía térmica de

una región a baja temperatura a una región a temperatura mayor.

La figura es una representación esquemática de una bomba de calor. La

temperatura exterior es Tf y la energía térmica absorbida por el fluido circulante es

Qf. La bomba de calor realiza un trabajo W sobre el fluido, y la energía térmica

transferida de la bomba de calor hacia el interior del edificio es Qc.

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CDR= CALORTRANSFERIDOTRABAJO HECHOPOR LA BOMBA

=QcW

1) Un refrigerador doméstico con un COP de 1.2 quita calor del espacio

refrigerado a una tasa de 60 kJ/min. Determine a) la potencia eléctrica que

consume el refrigerador y b) la tasa de transferencia de calor al aire de la

cocina.

2) U

na bomba de calor comercial quita 10,000 Btu/h de la fuente de calor,

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rechaza 15,090 Btu/h al sumidero térmico y necesita 2 hp de potencia.

¿Cuál es el coeficiente de desempeño de la bomba de calor?

3) Entra agua a una máquina de hielo a 55°F, y sale como hielo a 25°F. Si el

COP de la máquina de hielo es 2.4 en esta operación, determine el

suministro necesario de potencia para una tasa de producción de hielo de

28 lbm/h (se nece-sita quitar 169 Btu de energía de cada lbm de agua a 55

°F para convertirla en hielo a 25 °F)

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4) Un refrigerador doméstico que tiene una entrada de potencia de 450 W y un

COP de 2.5 debe enfriar cuatro sandías grandes, de 10 kg cada una, a 8

°C. Si las sandías están inicialmente a 20 °C, determine cuánto tardará el

refrigerador en enfriarlas. Las sandías se pueden tratar como agua, cuyo

calor específico es 4.2 kJ/kg · °C. ¿Su respuesta es realista u optimista?

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5) En el condensador de una bomba de calor residencial entra refrigerante 134a a 800 kPa y 35 °C, a razón de 0.018 kg/s, y sale como líquido saturado a 800 kPa. Si el compresor consume 1.2 kW de potencia, determine a) el COP de la bomba de calor y b) la tasa de absorción de calor del aire exterior.