guia de ti no 4

GUÍA DE TRABAJOTecnología Electromecánica

Código FDE 048Versión 03Fecha 2009-06-09

1. IDENTIFICACIÓN

Asignatura TERMODINAMICA Guía No. 4Área Ingeniería Nivel 8Código TME83 Pensum 3Correquisito(s) Prerrequisito(s)Créditos 4 TPS 4 TIS 8 TPT 64 TIT 128TRABAJO INDEPENDIENTE TRABAJO PRESENCIALTrabajo Teórico

Trabajo Práctico

Trabajo Teórico

Trabajo Práctico

2. IDENTIFICACIÓN

COMPETENCIAS CONTENIDO TEMÁTICO INDICADOR DE LOGRO

Realizar balances energéticos para la gestión energética en los SEM’s de los procesos industriales, teniendo en cuenta los conceptos básicos de energía fluídica, térmica y las transformaciones energéticas de calor.

Termodinámica:

Sistemas Cerrados

Aprender, comprender y aplicar los conceptos básicos relacionados con la primera ley para sistemas cerrados en la solución de situaciones problema en diferentes contextos.

3. RECURSOS REQUERIDOS

– Notas de clase– Material bibliográfico: Textos descritos en bibliografía, biblioteca, internet– Docentes y estudiantes

4. PROCEDIMIENTO

COMPRENSIÓN DE CONCEPTOS

1. For a cycle, is the net work necessarily zero? For what kind of systems will this be the case?

2. En un caluroso día de verano un estudiante enciende su ventilador al salir de su habitación por la mañana. Cuando regrese por la tarde, ¿la habitación



estará más caliente o más fría comparada con las habitaciones vecinas? ¿Por qué? Suponga que todas las puertas y ventanas se encuentran cerradas.

3. ¿Mediante qué formas puede la energía cruzar las fronteras de un sistema cerrado?

4. ¿En un diagrama P – ν, ¿qué representa el área bajo la curva de proceso?

5. ¿Cero es siempre el trabajo de frontera asociado con sistemas de volumen constante?

6. An ideal gas at a given state expands to a fixed final volume first at constant pressure and then at constant temperature. For which case is the work done greater?

7. ¿Cuándo es calor la energía que cruza las fronteras de un sistema cerrado y cuándo es trabajo?

8. What is an adiabatic process? What is an adiabatic system?

9. A gas in a piston–cylinder device is compressed, and as a result its temperature rises. Is this a heat or work interaction?

10. An insulated room is heated by burning candles. Is this a heat or work interaction? Take the entire room, including the candles, as the system.

11. Is the relation Δu = mcv,avgΔT restricted to constant-volume processes only, or can it be used for any kind of process of an ideal gas?

12. ¿Es igual la energía requerida para calentar aire desde 295 hasta 305 K a la energía requerida para calentarlo de 345 a 355 K? Suponga que la presión permanece constante en los dos casos.

13. Una masa fija de un gas ideal se calienta desde 50 hasta 80°C a una presión constante de a) 1 atm y b) 3 atm. ¿Para cuál caso cree usted que la energía requerida será mayor? ¿Por qué?

14. A fixed mass of an ideal gas is heated from 50 to 80°C (a) at constant volume and (b) at constant pressure. For which case do you think the energy required will be greater? Why?



PROBLEMAS DE APLICACIÓN - SITUACIONES EN CONTEXTO

15. Se calienta agua en un recipiente cerrado encima de una estufa mientras se agita con un agitador de paleta. Durante el proceso, 30 kJ de calor se transfieren al agua y 5 kJ de calor se pierden al aire del ambiente. La cantidad de trabajo realizada por el agitador de paleta es de 500 N.m. Determine la energía final del sistema si su energía inicial es de 10 kJ. Respuesta: 35.5 kJ

16. A un aula con una capacidad normal de 40 personas se le instalará aire acondicionado mediante unidades de aire acondicionado para ventana con una capacidad de 5 kW. Se puede suponer que una persona en reposo disipa calor a una tasa de alrededor de 360 kJ/h. Hay 10 bombillas de luz en el aula, cada una de 100 W. Se estima que la tasa de transferencia de calor hacia el aula a través de las paredes es de 15000 kJ/h. Si el aire en el aula se debe mantener a una temperatura constante de 21°C, determine el número de unidades de aire acondicionado requeridas. Respuesta: 2 unidades

17. Los requerimientos de alumbrado de una instalación industrial están dados por 700 lámparas fluorescentes de 40 W. Las lámparas se encuentran cerca del final de su período de servicio y serán reemplazadas por sus contrapartes de 34 W con alta eficiencia que operan sobre las balastras estándar existentes. Es posible comprar las lámparas estándar y las de alta eficiencia fluorescente por volumen a un costo de $1.77 y $2.26 cada una, respectivamente. El servicio opera 2800 horas por año y todas las lámparas se mantienen encendidas durante las horas de operación. Si el costo unitario de electricidad es de $0.08/kWh y el factor de balastra es de 1.1 (es decir, cada balastra consume 10% de la potencia nominal de las lámparas), determine cuánta energía y cuánto dinero se ahorrará por año como resultado del cambio a las lámparas fluorescentes de alta eficiencia. Además, determine el plazo de recuperación



de la inversión. Respuestas: Ahorro energía: 12936 kWh/año; Ahorro dinero: US$1035/año; Plazo recuperación: 0.33 años (4 meses)

18. A university campus has 200 classrooms and 400 faculty offices. The classrooms are equipped with 12 fluorescent tubes, each consuming 110 W, including the electricity used by the ballasts. The faculty offices, on average, have half as many tubes. The campus is open 240 days a year. The classrooms and faculty offices are not occupied an average of 4 h a day, but the lights are kept on. If the unit cost of electricity is $0.082/kWh, determine how much the campus will save a year if the lights in the classrooms and faculty offices are turned off during unoccupied periods. Respuesta: US$41564/año

19. Un tanque rígido de 0.5 m3 contiene inicialmente refrigerante 134a a 160 kPa y 40% de calidad. Se transfiere calor al refrigerante hasta que la presión alcanza 700 kPa. Determine a) la masa del refrigerante en el tanque y b) la cantidad de calor transferido. Además, muestre el proceso sobre un diagrama P – ν con respecto a las líneas de saturación. Respuestas: a) 10.03 kg; b) 2707 kJ

20. Un tanque rígido de 20 pie3 contiene vapor saturado de refrigerante 134a a 160 psia. Como resultado de la transferencia de calor desde el refrigerante, la presión cae a 50 psia. Muestre el proceso sobre un diagrama P – v con respecto a las líneas de saturación y determine a) la temperatura final, b) la cantidad de refrigerante condensado y c) la transferencia de calor. Respuestas: a) 40.23°F; b) 47.75 lbm; c) - 4169 BTU

21. Nitrogen at an initial state of 300 K, 150 kPa, and 0.2 m3 is compressed slowly in an isothermal process to a final pressure of 800 kPa. Determine the work done during this process. Respuesta: - 50.2 kJ

22. Carbon dioxide contained in a piston–cylinder device is compressed from 0.3 to 0.1 m3. During the process, the pressure and volume are related by P = aV-2, where a=8 kPa·m6. Calculate the work done on the carbon dioxide during this process. Respuesta: - 53.3 kJ

23. A well-insulated rigid tank contains 5 kg of a saturated liquid–vapor mixture of water at l00 kPa. Initially, three-quarters of the mass is in the liquid phase. An electric resistor placed in the tank is connected to a 110-V source, and a current of 8 A flows through the resistor when the switch is turned on. Determine how long it will take to vaporize all the liquid in the tank. Also, show the process on a T-v diagram with respect to saturation lines. Repuesta: 9186 s (153.1 min)



24. Un tanque aislado se divide en dos partes por un tabique. Una parte del tanque contiene 2.5 kg de agua líquida comprimida a 60°C y 600 kPa en tanto que la otra parte es evacuada. Ahora se retira la división y el agua se expande hasta llenar el tanque completamente. Determine la temperatura final del agua y el volumen del tanque para una presión final de 10 kPa. Respuestas: 45.81°C; 0.972 m3

25. A piston–cylinder device contains 5 kg of refrigerant 134a at 800 kPa and 70°C.

The refrigerant is now cooled at constant pressure until it exists as a liquid at 15°C. Determine the amount of heat loss and show the process on a T-v diagram with respect to saturation lines. Respuesta: 1173 kJ

26. An insulated piston–cylinder device contains 5 L of saturated liquid water at a constant pressure of 175 kPa. Water is stirred by a paddle wheel while a current of 8 A flows for 45 min through a resistor placed in the water. If one-half of the liquid is evaporated during this constant pressure process and the paddle-wheel work amounts to 400 kJ, determine the voltage of the source. Also, show the process on a P-v diagram with respect to saturation lines. Respuesta: 223.9 V



27. Un dispositivo de cilindro – émbolo contiene inicialmente vapor a 1 MPa, 450°C y 2.5 m3. El vapor se enfría a presión constante hasta que se empieza a condensar. Muestre el proceso en un diagrama T – v respecto a las líneas de saturación y determine a) la masa del vapor, b) la temperatura final y c) la cantidad de calor transferido. Respuestas: a) 7.565 kg; b) 179.9°C; c) 4495 kJ

28. A piston–cylinder device initially contains 0.8 m3 of saturated water vapor at 250 kPa. At this state, the piston is resting on a set of stops, and the mass of the piston is such that a pressure of 300 kPa is required to move it. Heat is now slowly transferred to the steam until the volume doubles. Show the process on a P-v diagram with respect to saturation lines and determine (a) the final temperature, (b) the work done during this process, and (c) the total heat transfer. Respuestas: (a) 662°C; (b) 240 kJ; (c) 1213 kJ

29. Two tanks (Tank A and Tank B) are separated by a partition. Initially Tank A contains 2-kg steam at 1 MPa and 300°C while Tank B contains 3-kg saturated liquid–vapor mixture with a vapor mass fraction of 50 percent. Now the partition is removed and the two sides are allowed to mix until the mechanical and thermal equilibrium are established. If the pressure at the final state is 300 kPa, determine (a) the temperature and quality of the steam (if mixture) at the final state and (b) the amount of heat lost from the tanks. Respuestas: (a) 133.5°C, 0.3641 (36.41%); (b) - 3959 kJ



30. A 30-L electrical radiator containing heating oil is placed in a 50-m3 room. Both the room and the oil in the radiator are initially at 10°C. The radiator with a rating of 1.8 kW is now turned on. At the same time, heat is lost from the room at an average rate of 0.35 kJ/s. After some time, the average temperature is measured to be 20°C for the air in the room, and 50°C for the oil in the radiator. Taking the density and the specific heat of the oil to be 950 kg/m3 and 2.2 kJ/(kg.°C), respectively, determine how long the heater is kept on. Assume the room is well-sealed so that there are no air leaks. Respuesta: 2038 s (34 min)

31. Un tanque rígido contiene 20 lbm de aire a 50 psia y 80°F. El aire se calienta hasta que su presión se duplica. Determine a) el volumen del tanque y b) la cantidad de calor transferido. Respuestas: a) 80 pie3; b) 1898 BTU

32. Una habitación de 4 x 5 x 6 m se calienta con un calentador de resistencia. Se desea que el calentador sea capaz de aumentar la temperatura del aire en la habitación de 7 a 23°C en un tiempo de 15 min. Suponiendo que no hay pérdidas de calor desde la habitación y que la presión atmosférica es de 100 kPa, determine la potencia requerida por el calentador. Suponga que los calores específicos son constantes a la temperatura ambiente. Respuesta: 1.91 kW

33. A 4-m x 5-m x 7-m room is heated by the radiator of a steam-heating system. The steam radiator transfers heat at a rate of 10000 kJ/h, and a 100-W fan is used to distribute the warm air in the room. The rate of heat loss from the room is estimated to be about 5000 kJ/h. If the initial temperature of the room air is 10°C, determine how long it will take for the air temperature to rise to 20°C. Assume constant specific heats at room temperature. Respuesta: 831 s



34. Una estudiante que vive en una habitación de 4 x 6 x 6 m enciende su ventilador de 150 W antes de salir de la habitación, en un día de verano, esperando que al regresar por la tarde la habitación esté fría. Suponiendo que todas las ventanas y puertas están perfectamente cerradas e ignorando cualquier transferencia de calor a través de los muros y ventanas, determine la temperatura que tendrá la habitación cuando ella regrese 10 h más tarde. Utilice los valores de calor específico a temperatura ambiente y suponga que la habitación estaba a 100 kPa y 15°C por la mañana cuando ella se fue. Respuesta: 58.2°C

35. A 10-ft3 tank contains oxygen initially at 14.7 psia and 80°F. A paddle wheel within the tank is rotated until the pressure inside rises to 20 psia. During the process 20 Btu of heat is lost to the surroundings. Determine the paddle-wheel work done. Neglect the energy stored in the paddle wheel. Respuesta: 45.3 BTU

36. Un tanque rígido aislado se secciona en dos partes iguales por medio de una división. Al inicio, una parte contiene 4 kg de un gas ideal a 800 kPa y 50°C y se evacúa la otra parte. Al quitar la división el gas se expande completamente en el tanque. Determine la temperatura y presión final en el tanque. Respuestas: 50°C; 400 kPa

37. Se tiene un dispositivo de cilindro-émbolo cuyo émbolo se encuentra en reposo sobre la parte superior de un juego de topes e inicialmente contiene 0.5 kg de gas helio a 100 kPa y 25°C. La masa del émbolo es tal que se requieren 500 kPa de presión para subirlo. ¿Cuánto calor debe ser transferido al helio antes de que el émbolo empiece a subir? Respuesta: 1857 kJ



38. A mass of 15 kg of air in a piston–cylinder device is heated from 25 to 77°C by passing current through a resistance heater inside the cylinder. The pressure inside the cylinder isheld constant at 300 kPa during the process, and a heat loss of 60 kJ occurs. Determine the electric energy supplied, in kWh. Respuesta: 0.235 kWh

39. A piston–cylinder device, whose piston is resting on a set of stops, initially contains 3 kg of air at 200 kPa and 27°C. The mass of the piston is such that a pressure of 400 kPa is required to move it. Heat is now transferred to the air until its volume doubles. Determine the work done by the air and the total heat transferred to the air during this process. Also show the process on a P-v diagram. Respuestas: Trabajo: 516 kJ; Calor: 2674 kJ

40. En una instalación de manufactura se enfrían esferas de latón de 5 cm de diámetro (ρ = 8522 kg/m3 y Cp = 0.385 kJ/(kg.°C) que inicialmente se encuentran a 120°C en un baño de agua a 50°C por un período de 2 min a una tasa de 100 esferas por minuto. Si la temperatura de las esferas después del enfriamiento es de 74°C, determine la tasa a la que el calor necesita eliminarse del agua a fin de conservar su temperatura constante a 50°C. Respuesta: 988 kJ/min

41. Carbon steel balls (ρ = 7833 kg/m3 and Cp = 0.465 kJ/(kg · °C) 8 mm in diameter are annealed by heating them first to 900°C in a furnace, and then allowing them to cool slowly to 100°C in ambient air at 35°C. If 2500 balls are to be annealed per hour, determine the total rate of heat transfer from the balls to the ambient air. Respuesta: 542 W



ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS

I. Para más ejercicios diríjase a los siguientes textos (ver bibliografía) que se

encuentran en la biblioteca del Instituto.

5. BIBLIOGRAFÍA

CENGEL, Yunus y BOLES, Michael. Termodinámica. 6 ed. Bogotá: McGraw – Hill.

2009, 1008 p.

WARK, Kenneth. Termodinámica. 6 ed. Madrid: McGraw – Hill. 2001, 923 p.

POTTER, Merle C y SOMERTON, Craig W. Termodinámica para Ingenieros. Serie

Schawn. McGraw – Hill. 2004, 388 p.

SONNTAG, Richard E. y BORGNAKKE, Clauss. Introducción a la termodinámica

para ingeniería. México: Limusa – Wiley. 2006, 489 p.

ROLLE, Kurt C. Termodinámica. México: Pearson Educación. 2006, 112 p.

POTTER, Merle C. y SCOTT, Elaine P. Termodinámica. México: Thomson. 2006,

360 p.

DIRECCIONES ELECTRÓNICAS

Ingrese a las direcciones:

http://www.thermofluids.net/http://thermo.sdsu.edu/TEST-Espanol/testhome/Test/intro/intro.htmlhttp://thermo.sdsu.edu/TEST-Espanol/testhome/index.htmlhttp://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2001762/index.htmlhttp://www.nrel.gov/http://www.mundoenergia.com/content/view/520/243/http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2001766/http://cidta.usal.es/cidta/Virtuales/redes.htm



Elaborado por: Gustavo Patiño JaramilloMaria Vilma García Buitrago

Versión: 2.0Fecha: Mayo 2011Aprobado por: Francisco Gómez

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