guia termo

7/23/2019 Guia Termo

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Termodinmica Aplicada a la Ingeniera IGua para el Sistema de Enseanza Individualizada

Gerardo Aragn Gonzlez, Alejandro Len-Galicia

Programa de Desarrollo en Automatizacin.Universidad Autnoma Metropolitana, Azcapotzalco.

Verano 2011


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Parte I

Presentacin

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Algunos de los cursos que imparte la Divisin de Ciencias Bsicas e Ingeniera(DCBI) -en la Unidad Azcapotzalco de la Universidad Autnoma Metropolitana(UAM-A; )- se ofrecen dentro del Sistema de Aprendizaje Individualizado (SAI). En

el SAI se emplea un proceso de enseanza-aprendizaje consistente en la imparticinde cursos tutorados. La asesora entre un alumno y su profesor se lleva a cabo,digamos, tres veces por semana y se desarrolla en forma excluyente. Es decir, son laspreguntas del alumno las que denen la explicacin y extensin de la respuesta delprofesor.

Los contenidos de la unidad de enseanza-aprendizaje (uea), se estructuran envarias partes sucesivas llamadas Unidades. A partir del estudio que cada alumnodedic a cierta Unidad, en la asesora se hacen preguntas al profesor sobre los con-tenidos de una parte del temario. La forma y el ritmo con los que el alumno realizasus actividades escolares es de su entera libertad. En los espacios del SAI es comnver pequeos grupos de alumnos, trabajando entre si sus Unidades.

A nuestro juicio, la formacin de docentes con dominio de la enseanza individu-alizada, tutorial es una base esencial para tratar de acceder a otros sistemas mscomplejos de enseanza: los Sistemas de Aprendizaje a Distancia. Estos sistemas hanalcanzado gran madurez en cuanto a la amplitud de sus posibilidades, su difusin yla amplia aceptacin que despiertan en gran parte del mundo. Todo ello impulsado,entre otros factores, por el desarrollo de la informacin digital contempornea.

La aceptacin de los Sistemas de Aprendizaje a Distancia por las comunidadesuniversitarias, y los Estados respectivos, radica en al menos tres puntos:

Que con ellos se disminuye la distancia entre conocimiento y poblacin;

La factibilidad de una asimilacin consciente del alumno, sin la presencia permanente, en el mismo lugar y tiempo del binomio profesor - alumno

Que la aceptacin de sus egresados, a nivel nacional e internacional, no demeritafrente a la obtenida por los egresados de cursos tradicionales.

Un ejemplo de tales sistemas, establecido ya como paradigma internacional, loconstituye la Universidad Abierta Britnica (BOU, por sus siglas en ingls).

Las universidades pblicas de nuestro pas deben considerar seriamente las posi-bilidades que tienen los Sistemas de Aprendizaje a Distancia. Al direccionar parte desu estructura acadmica universitaria hacia los estudios a distancia, se procurar laadquisicin de conocimientos por parte de una mayor poblacin. Y se podr hacerlosuavizando dos restricciones severas de la sociedad contempornea: el tiempo y ladistancia. Sin olvidar un benecio ms: la sensible disminucin del cociente recursoseconmicos vs extensin de la poblacin atendida.

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El SAI de CBI cuenta con instalaciones fsicas, personal de apoyo y algunosmedios y materiales didcticos propios. Sobre todo, se le entiende como un mbitopara la experimentacin educativa. Lo que actualmente conocemos como SAI puede

convertirse en la base mnima para impulsar un Sistema de Aprendizaje a Distancia.Ahora bien, entre las dicultades que planteara este ltimo sistema est la ineludiblenecesidad de contar con sus materiales didcticos especcos, diseados para tal n.Estos materiales deben poseer las siguientes caractersticas:

Contar con procedimientos para transitar por la informacin y la formacin quecorresponden a cada uea, as como por los contenidos educativos del currculumen su conjunto.

Los materiales de lectura y comprobacin de conocimientos deben estar ade-cuadamente establecidos, y siempre al alcance del alumno.

Es de fundamental importancia que los contenidos acadmicos de las Unidadesy de las secciones de auto evaluacin, para la comprobacin por parte delalumno de su propia asimilacin estn concebidos y escritos en funcin de lossujetos, quienes pertenecen a cierta poblacin especca que nos interesa. Elnico eslabn entre esa poblacin y la universidad ser el conjunto de materialesy procedimientos anteriores.

Un ejemplo de nuestros esfuerzos, en la direccin de la enseanza a distancia, loconstituye el material empleado en nuestros cursos SAI, en CBI de UAM-A, de los

cuales presentamos un bosquejo. Este material est constituido por cuatro categorasde trabajos docentes:

Guas de SAI

Constan de cuatro grandes partes que forman un todo, cuyo n ltimo es facilitaral alumno la respuesta para las siguientes cuestiones: Cules conocimientos, con quprofundidad, en qu texto bsico, en cunto tiempo. Estas cuatro partes son lassiguientes:

Actividades

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Donde se pormenoriza el orden y los contenidos de los temas que deben abarcarse,mediante la lectura o el estudio de un determinado texto, preparado especcamentepara cierta audiencia (en nuestro caso un subconjunto propio del formado con alum-

nos de CBI de UAM-A).En las actividades se seala la profundidad con que se debe estudiar el texto, ascomo cules partes son slo para lectura y cules son indispensables (se establece elbalance entre formacin e informacin). Tambin se especica el mnimo de ejerciciosy problemas resueltos que se deben estudiar (lo que constituye la dosis indispensablede dedicacin, para avanzar rmemente en la red conceptual del tema en cuestin).

Objetivos

Sealan cmo debe mostrar el alumno su suciencia, sea expresada sta en ha-

bilidades o conocimientos, en cada parte en que se divide la uea.

Autoevaluaciones

Su nalidad es que el individuo conozca su fortaleza (o aqueza), sobre determina-do material curricular. Generalmente el contenido de la auto evaluacin proviene deexmenes anteriores. A travs de ella el alumno debe constatar si posee en tiem-po (digamos una hora), y forma (puede responder a exigencias precisas: resolver,plantear, determinar,...) los conocimientos y capacidades que conforman una uea.

Tiempo disponible para preparar los contenidos de una Unidad. Este rubro agregauna componente al proceso de enseanza-aprendizaje: la capacidad de asimilacin quedebe tener el alumno, para transitar por cada Unidad con cierto ritmo indispensable.La dimensin temporal consignada en este rubro toma muy en cuenta el tiempopromedio, requerido por generaciones anteriores para asimilar estos contenidos.

Tiempo mximo para terminar una UnidadSu nalidad es el tiempo sugerido por el profesor para que un alumno nalice la

unidad.

Los autores. Verano de 2011.

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Parte II

Unidades de Aprendizaje

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Captulo 1

Primera Unidad

1.1. Actividades

A. Estudiar los Captulo 1 y 2 del libro de texto: G. Aragn Gonzlez et al.Termodinmica bsica para ingenieros. Considere las secciones 2.3, 2.4, las pginas36- 38, as como los prrafos que comienzan con los encabezados Observaciones yActividadesson slo de lectura. Emplear la tablas de propiedades de gases ideales dela pgina 159 del Libro de Texto.

B. Asegrese que comprende el planteamiento y la lgica de los clculos presen-tadas en los ejemplos 8-16 y 21- 26 del Libro de Texto.

C. Resolver al menos diez de los ejercicios pares, del 14-30 y 34-36 del Libro de

Texto.

Despus de realizar las tres actividades anteriores deber ser capaz de

hacer lo siguiente.

1.2. Objetivos

Al trmino de esta unidad:A. Explicar cmo funcionan los ciclos de Otto y Diesel.B. Podr explicar porqu la temperatura se clasica como variable intensiva.

El funcionamiento de dos distintos instrumentos para medir temperatura. Cmotransformar unidades de temperatura entre las escalas: Celsius, Farenheit y Kelvin.

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C. El concepto de equilibrio trmico mediante la Ley Cero de la Termodinmica.D. Podr explicar porqu se clasica a la presin como variable intensiva. La

relacin existente entre:presin absoluta, atmosfrica y manomtrica. Equivalencias

entre , ,,. El funcionamiento de dos dispositivos para medirla presin.E. Explicar la relacin entre los tres conceptos siguientes: volumen, vari-

able termodinmica extensiva (unidades 3), volumen especco (variableintensi-va

3

) y densidad (en

3);variables termodinmicas intensivas.

F. Entender los siguientes cinco conceptos: estado termodinmico, proceso ytrayectoria termodinmica, proceso abierto y proceso cerrado.

G. Realizar clculos en procesos termodinmicos: isobrico, isocrico e isostr-mico. Trazar estos proceso en diagramas , ,. En procesos cerradosy mediante la correcta seleccin de alguna(as) de las siguientes ecuaciones efectuarlos clculos pertinentes para determinar algn valor(es) de la quinteta h i:

== 1

=

=

=

=

=

=

=

en las cuales el subndice identica al estado inicial y el al estado nal de unproceso termodinmico.

H. Realizar clculos mediante la ecuacin de gas ideal para procesos cerrados enlas formas:

=

=

donde e distinguen las variables en el estado nal e inicial respectvamente, conel n de calcular algn valor(es)de la sexteta h i Efectuar los clculospertinentes con las ecuaciones para sistemas cerrados: Y para sistemas abiertos laecuacin de gas ideal en las formas:

=

=

donde e distinguen las variables en el estado nal e inicial respectvamente, y dela ecuacin:

=

en donde es el cambio de masa en el sistema.

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1.3. Autoevaluaciones

Resolver correctamente en un tiempo no mayor de 90 minutos al menos cuatroproblemas, seleccionados al azar, de la siguiente lista.

1. i) Trasformar las siguientes temperaturas a grados Kelvin:

50 130 30 220 20 1300

ii) Existe una temperatura que tanto en la escala Farenheit y la Celsius originela misma lectura?

2. Un de un gas con volumen de 0001 3 y presin de 01 se encuentraen un cilindro-pistn El gas se expande isotrmicamente y obtiene un volumen de

00023

Despus su presin se reduce a la mitad isocricamente. Finalmente el gasse dilata, a presin constante, hasta un volumen de 00043. Determinar los valoresde la quinteta h i para cada uno de los estados.

3. Un tanque contiene0130 3 de aire a200 de presin y tiene incluido unpistn que le permite cambiar de volumen. Se empuja el pistn hasta que el volumendel aire sea de005 3

i. Si durante la compresin la temperatura no cambia Qu valor nal tiene lapresin del gas?

ii. Y si la presin no cambia Qu valor nal tiene la temperatura?

4. La presin atmosfrica de una cierta ciudad se reporta ocialmente como de560 .

i. A cuntas , y equivale esta presin.?ii). Ahora, si de un cilindro que contiene determinado gas obtenemos como lectura

manomtrica el valor cero. Signicar eso que el cilindro est evacuado? Explique.

5. En el interior de un cilindro-pistn hay diez litros de un gas ideal a 100 ,200 (estado 1). Isobricamente obtiene 12 de volumen; para despus, isocrica-mente, aumentar en 20 % su presin (estado 3). Posteriormente, un proceso isotr-mico lo lleva a 100 . Por ltimo debido a un proceso iscoro su presin llega a144 (estado 5).

a) Graque en un diagrama los procesos anteriores.b) Determine h i en cada estadoc). Estn sobre una lnea recta los tres estados: 1 3 5?

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6. Una masa ja de vapor de agua a 60 y = 0120 y = 373se encuentran en un cilindro-pistn y se comporta como gas ideal. Mediante unisbaro su volumen queda en un quinto del inicial. Despus mediante tres procesos

consecutivos, en serie, retorna a su estado inicial. El primero de estos tres procesos esiscoro, le sigue un isbaro a20 y el tercero un isomtrico. Graque el problemaen un . Calcule los valores h i en los cuatro estados donde el vapor deagua cambia de proceso y el rea interior determinada por estos procesos.

7. Un gas ideal a 300 se encuentra en el interior de un tanque de 123.Mediante vlvulas, inicialmente cerradas, se comunica con dos tanques vacos, y . Al abrirse las vlvulas, el tanque cede gas a los otros dos tanques hasta que,nalmente, los tres tienen presin igual a 1

525de la presin inicial en . Justo en ese

momento, la temperatura nal en ambos tanques y , es de100 y la del tanque 200 . Si la capacidad volumtrica de es el doble que la de Determinar los

volmenes de y .

8. Un cilindro-pistn tiene un puerto que permite regular la salida de masa . Alinterior del cilindro-pistn se encuentra de aire a 120 6000 Mediantecalor la presin alcanza 55 veces la inicial, su volumen es invariable. Pero duranteeste proceso el puerto de salida se ajusta para permitir el escape de 1

8 de la masa

inicial. Despus, el pistn se desplaza isobricamente hasta que la temperatura delaire aumenta 32 veces. Mientras tanto, en este proceso se deja escapar un octavode la masa. Finalmente, el volumen aumenta isotrmicamente en cuatro veces ynuevamente se deja escapar un octavo de masa .

i. Determineh ien cada uno de los cuatro estados importantes. Graque

el problema en un diagrama .ii. Ahora, suponiendo que en todo momento el puerto de salida se mantuvo cerrado

determinarh ide dichos estados y obtener el diagrama correspondiente.

1.4. Tiempo mximo para terminar esta Unidad

75 horas

Trabajo semanal equivalente al de un curso tradicional, de cinco sesiones de 15horas

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Captulo 2

Segunda Unidad

2.1. Actividades

A. Estudiar los Captulo 3 y 4 del libro de texto: G. Aragn Gonzlez et al. Ter-modinmica bsica para ingenieros Las secciones 3.3, 3.5 y los prrafos que comien-zan con los encabezados Observaciones y Actividadesson slo de lectura. Emplearla tablas de propiedades de gases ideales de la pgina 159 del Libro de Texto.

B. Comprender el planteamiento y el desarrollo de los clculos presentados en losejemplos 27- 36 del Libro de Texto.

C. Resolver al menos diez de los ejercicios impares 37-57 del Libro de Texto.

Despus de realizar las tres actividades anteriores Ud. deber poder

llevar a cabo lo que a continuacin se especica.

2.2. Objetivos

Al trmino de esta unidad:A. Calcular el calor transferido durante procesos isobricos e isocricos y poder

calcular mediante las ecuaciones,

=( )=( )

en donde y son constantes que satisfacen

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=

B. Emplear la ecuacin del proceso adiabtico:

=

o bien sus ecuaciones equivalentes:

=

1

=

=

1

para determinar algn valor de la terna h i.C. Aplicar las ecuaciones anteriores y la ecuacin de gas ideal, =para

determinar en procesos cerrados algn valor de la sexteta h i.D. Calcular valores de la sexteta h i en alguno o varios de los

proceso: isocrico, isobrico, adiabtico e isotrmico; salvo que en este ltimo no secalcular el calor. .

E. Calcular el trabajo transferido durante procesos isobricos, isotrmicos yadiabticos mediante

=

Z

En particular emplear para el proceso isobrico:

=( ) =( )

Para el proceso isotrmico:

=ln

=ln

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Para el proceso adiabtico:

=( ) =( )

1 =

1

F. Aplicar las ecuaciones anteriores para determinar algn(os) valor de:

h i

F. Calcular la eciencia trmica de ciclos termodinmicos y poder encontrarlacon alguna de las ecuaciones,

=

=

+

= 1 +

= 1 +

2.3. Autoevaluaciones.

Resolver correctamente en un tiempo no mayor de 90 minutos al menos cuatro

problemas, seleccionados al azar, de la siguiente lista.1. Helio est en un cilindro pistn a 300 ,0001 3 y260 . Isobricamente

duplica su volumen, para despus -en un cambio isocrico- sextuplicar su presin.Finalmente durante un proceso isotrmico reduce su volumen a la mitad.

A) Graque en un diagrama el enunciado anterior.B) Determine los calores salvo el del ltimo proceso.C) Calcule los trabajos.

2. Un de etileno (24) expande su volumen al doble mediante un procesoisotrmico a300 . Luego alcanza su presin inicial mediante un iscoro. Por ltimosin cambiar de presin alcanza su estado inicial.

i) Graque el proceso en diagramas , , .ii) Calcule los calores transferidos en los dos ltimos procesos.iii) Calcule el trabajo total.

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3. Aire con una masa de 1 est un cilindro pistn a3000Su presin cambiaadiabticamente hasta que 2

1= 12 Luego, isobricamente aumenta de volumen

en cuatro veces. Para despus-en otro cambio adiabtico-alcanzar su presin inicial.

Finalmente, isobricamente regresa a su estado inicial.i) Graque en un los procesos.ii) Calcular la ternah i en cada estado.iii) Determine los calores.iv) Calcule el trabajo total.

4. Un de etileno (24) expande su volumen al doble mediante un procesoisotrmico a300. Luego alcanza su presin inicial mediante un iscoro. Por ltimosin cambiar de presin alcanza su estado inicial.

) Graque el proceso en tres diagramas: .) Calcular los trabajos en los tres procesos.

iii) Suponga que el calor en el proceso isotrmico es igual al valor del trabajoisotrmico; calcule los dos calores restantes.) Muestre que la suma de los tres calores es igual que la de los tres trabajos.

5. Un ciclo con sustancia de trabajo 2 inicia con una expansin isobrica ycontina con una isotrmica. Despus mediante un isbaro y un isotermo llega a suestado inicial. La temperatura en el estado 1 es 100 la presin en el estado 2es doce veces la presin en el estado 3 y el volumen en el estado 2 es ocho veces elvolumen en el estado 1 Calcular la eciencia trmica de este ciclo. suponga que enel proceso isotermo el calor intercambiado es igual al trabajo.

6 Un gas ideal, = 35

es sometido a un ciclo que se inicia con un proceso

isobrico, contina con uno adiabtico y termina mediante un isocrico. Durante elprimer proceso disminuye el volumen del gas a la mitad y en el segundo la presin caea un tercio. Calcular los trabajos en funcin de la temperatura inicial por kilogramode masa y la eciencia del ciclo.


45horas.

Trabajo semanal equivalente al de un curso tradicional, de tres sesiones de 15horas.

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Captulo 3

Tercera Unidad

3.1. Actividades.

A. Estudiar el Captulo 5, 6 y 7 del Libro Texto: G. Aragn Gonzlez et al.Termodinmica bsica para ingenieros La seccin 5, 6.3 y los prrafos que comienzancon los encabezados Observaciones y Actividades son slo de lectura.Emplear latablas de propiedades de gases ideales de la pgina 159 del Libro de Texto.

B. Comprender el planteamiento y el desarrollo de los clculos presentados en losejemplos 37-46 y 50-56 del Libro Texto.

C. Resolver los ejercicios impares comprendidos entre la lista del59y76del Libro

Texto.



3.2. Objetivos

Al trmino de esta unidad:

A. Los cambios de energa interna de una gas ideal mediante = (2 1)

= 0 Para isotermos

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B. La primera ley de la termodinmica

=

para efectuar balances de energa y determinar calor(es) o trabajo(s) transferidosdurante diferentes procesos termodinmicos. (No necesariamente los hasta ahora es-tudiados).

D. La primera ley de la Termodinmica para analizar las conversiones de energaen ciclos como: Carnot, Otto, Diesel, Brayton y Stirling.

E. Oralmente y por escrito con no ms de 100 palabras los enunciados de Clausiusy Kelvin-Planck sobre la factibilidad de construir dispositivos que operen en ciclos eintercambien calor y trabajo.

F. Operativamente la entropa como una variable termodinmica.

G. Cambios de entropa con apoyo y poder calcularala mediante las siguientesecuaciones,

= ln

+ ln

=ln

ln

H. El hecho siguiente:.El cambio total de entropa de un sistema aislado siempre

es no negativo"(Segunda ley de la Termodinmica).



1. Adiabticamente un de2 a200comprimir su volumen hasta un tercio

del inicial. Despus isobricamente obtendr su volumen inicial. Por su parte 1 de aire recibir isotrmicamente 14046

y con ello su volumen ser seis veces

mayor a su volumen inicial. Luego a semejanza del hidrgeno, el aire se expandirisobricamente. Ahora bien, durante la expansin isbara del 2y aire, se permitir

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que ellas intercambien calor. Calcular el calor, trabajo y cambio de energa internadel aire en los cuatro procesos.

2. Un recipiente de paredes adiabticas est dividido justo a la mitad por unapared mvil que tambin es adiabtica. Una mitad del recipiente contiene 1 de a 100 y 15 ; en la otra mitad est hecho el vaco. Determinar elcalor y el trabajo del despus de quitar la pared mvil. El gas adquiere suequilibrio a 8 0.

3Un de aire a300 est connado en un cilindropistn, duplica su volumenen forma isobrica. Luego duplica su presin en un proceso isomtrico; en seguidacuadriplica su temperatura en un proceso isobrico. Despus, sin variar de volumen,obtiene la presin del estado inicial; por ltimo, sin cambiar presin, su volumenaumenta en la mitad. Determine el trabajo, el calor, la energa interna y el cambio

de entropa en cada uno de los procesos anteriores.

4. Vapor de agua en un cilindro pistn, 460 ,03183 3 y 2 , es llevadaisobricamente a 043 3. Posteriormente en un iscoro obtiene 04 . Despusisobricamente llega a 1 300 . Calcular los calores, trabajos, energa interna yentropa en cada proceso.

5. Calcular el cambio de entropa para 2 en los procesos siguientes: isobrico

= 13

; isocrico

= 12

; isotrmico

= 12

; y adiabtico

= 100

.

6. En un recipiente rgido de paredes adiabticas se encuentra dividido, ja adia-

btica, justo a la mitad, mediante una pared adiabtica. En una mitad se encuentraun gas a700 en la otra mitad est hecho el vaco. La pared es removida. Culde los dos gases siguientes: Hidrgeno y Helio genera mayor cambio de entropa?

7. Se transera100 en forma de calor a un cierto gas de otro gas Ahora,el gas cede esta misma cantidad de calor a otro gas Calcular el cambio deentropa de cada uno de los gases. Determinar el cambio de entropa total de cadapareja de gases.

8. Una mquina de Carnot opera entre un depsito de temperatura de 700 yun depsito de temperatura de 20 Suponiendo que esta mquina genera 50 en forma de trabajo. Dibuje el ciclo anterior en diagramas y Calcularel calor suministrado, la eciencia de la mquina y el calor rechazado

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75horas.

Trabajo semanal equivalente al de un curso tradicional de cinco sesiones de 15horas.

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Captulo 4

Cuarta Unidad

4.1. Actividades.

A. Estudiar las pginas138del material didctico que le facilite el profesor. Em-plear las Tablas de Propiedades Termodinmicas del2, correspondientes a mezclalquido-vapor y vapor sobrecalentado para calcular ya sea presin, temperatura, vol-umen especco y energa interna especca. Determinar estados termodinmicos apartir de dos de estas variables independientes.

B. Comprender el planteamiento y el desarrollo de los clculos presentados en

los problemas 36, los incluidos en las pginas 2022, 810 y 19 del materialdidctico.

C. Estudiar los casos 1 3,6 y 7 y los algoritmos1 3 incluidos en las pginas2329 del material didctico y aplicarlos para calcular estados termodinmicos.

D. Resolver los ejercicios 316 318 333 334 3.43 424 425 54 57 59 511y 530 cuando la sustancia es 2, del Texto G. V. Van Wylen R. Sonntag yC. Borgnakke "Fundamentos de Termodinmica"Segunda Edicin, Limusa Wyley(2002).

Despus de realizar las cuatro actividades anteriores deber poder ll-evar a cabo lo que a continuacin se especica.

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4.2. Objetivos.


A. Podr explicar oralmente y por escrito con no ms de 100 palabras el fun-cionamiento de una planta de fuerza de vapor operada con agua.

B. Emplear las Tablas de Propiedades Termodinmicas del 2 para poderdeterminar estados termodinmicos cuando sean conocidas dos variables termod-inmicas independientes.

C. Calcular estados termodinmicos as como cambios de energa en procesosisobricos e isocricos y en procesos combinados de ambos.

D. Aplicar la primera ley de la Termodinmica para sistemas cerrados cuando

la sustancia se encuentre en cambio de fase o como vapor sobrecalentado.



1. Agua a 1 se encuentra en un tanque rgido. Al suministrarle calor ellaobtiene su estado crtico. Calcular la relacin entre el volumen de vapor y volumen

lquido en el estado inicial.

2. 2 es comprimida a presin constante de 10 y 400 hasta el estado

de vapor saturado a 10 bar. Despus se enfra a volumen constante hasta 150 C.Representar ambos procesos en diagramas y . Determinar y.

3.Calor se transere a un recipiente de volumen 5 3 que contiene 015 3 deagua como lquido y 485 3 como vapor a 01 hasta que el recipiente quedalleno de vapor saturado. Calcular la cantidad de calor transferido

4. Una mezcla de lquido-vapor de agua se encuentra a200 . La energa interna

de la parte lquida es el 10 % de la energa total del agua. Calcular .5. Dos kg de2a 04 y600

son llevados a ocupar un volumen de09253. Despus isocricamente cae su presin a 01 . Finalmente isobricamente

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llega a ocupar un volumen de 0002086 3. Calcular la energa interna en cada unode los estados. Cules son el trabajo y el calor totales intercambiados?

6. Un tanque tiene= 103 y contiene2a 5 y = 040. Este tanque

est conectado a otro que tambin contiene 2 pero a300 y = 100%. La

llave que comunica a los tanques es abierta momentneamente. Al nal se tiene quela temperatura en el primer tanque es de33093 y tiene una calidad de = 80 %.En cambio en el segundo tanque se tiene ahora un = 002

3

. Calcular .


9 horas.

Trabajo semanal equivalente al de un curso tradicional, de seis sesiones de 15horas.

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Captulo 5

Quinta Unidad

5.1. Actividades.

A. Estudiar las pginas 39 44 del material didctico que le facilite el profe-sor. Emplear las Tablas de Propiedades Termodinmicas del 2 y 12, cor-respondientes a mezcla lquido-vapor y vapor sobrecalentado para calcular estadostermodinmicos, que incluyan adicionalmente a la entropa como variable de estado,a partir de dos variables independientes. Para calcular la energa interna en el12, suponga = .

B. Comprender el planteamiento y el desarrollo de los clculos presentados en losproblemas1418, del material didctico.

C. Aplicar los casos1 3,6 y 7 y los algoritmos 1 3de la Cuarta Unidad paradeterminar estados termodinmicos y cambios de entropa. del material didctico.

D. Resolver al menos cinco de los siguientes ejercicios:7173 711713 716 717720 723 y 725 cuando la sustancia es 2 o 12, del Texto: G. V. VanWylen R. Sonntag y C. Borgnakke "Fundamentos de Termodinmica"Segunda Edi-cin, Limusa Wyley (2002).

Despus de realizar las cuatro actividades anteriores deber poder ll-evar a cabo lo que a continuacin se especica.

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5.2. Objetivos


A. Emplear operativamente la entropa como una variable termodinmica.

B. Calcular cambios de entropa con apoyo de las Tablas de Propiedades Ter-modinmicas.

C. Emplear las Tablas de Propiedades Termodinmicas para poder determinarestados termodinmicos (presin, temperatura y volumen, energa interna y entropaespeccos) cuando sean conocidas dos variables termodinmicas independientes.

D. Calcular estados termodinamicos, calor y trabajos totales despus de aplicaralguno o varios de los procesos fundamentales: isobrico, isocrico, isotrmico e isen-

trpico (adiabtico reversible).



1. Un de 2 se encuentra a 160 como lquido saturado. Isobricamente

obtiene un volumen de 8 litros; luego isocricamente llega a 300 . Por ltimoisotrmicamente ocupa un volumen de 24.26 litros. Calcular el calor y trabajo totales.

2. Dos de12 a 10 ocupan un volumen de 0001466 3 y son llevadosisobricamente hasta ocupar un volumen de 001175 3m3. Despus isocricamentellega a 80 . Finalmente is,otrmicamente cae la presin a 04 . Calcular eltrabajo y el calor totales intercambiados

3. Considere el siguiente ciclo:

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a) Dibujar un diagrama .b) Calcular los calores en cada proceso.

c) Determinar la eciencia.4. Calcular , , y del ciclo siguiente:

Si 1 = 0, 2 = 3 , 3 = 03130 , 3 = 69777

. Trazar la curvalquido-vapor saturado y hacerlo tambin en un diagrama .

5. Un tanque con = 2345 3 contiene vapor de agua con una presin de 20 y 500 . Mediante una vlvula y muy lentamente se descarga el vapor deagua hasta una presin de 7014 Cunta masa escap?.

6. Un de vapor de agua a265 ocupa un volumen de00012893 e isocrica-mente alcanza una presin de 12 ; despus isobricamente llega hasta la curva

de vapor saturado y nalmente isentrpicamente alcanza una temperatura de 600. Calcular calor y trabajo totales. Dibujar un diagrama .

7. Un recipiente cerrado contiene 2 de agua a 100 y 150 . Despus deun proceso isotrmico el agua ocupa 07856 3. Calcular: 12,, 12 y.


6 horas.Trabajo semanal equivalente al de un curso tradicional, de cuatro sesiones de 15

horas.

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Captulo 6

Sexta Unidad

6.1. Actividades.

A. Estudiar las pginas5 41 93 101y 70 81del Mdulo: Plantas de fuerzade vapor, refrigeracin y forma general de la primera ley termodinmica (UAM-A,2006) G. Aragn Gonzlez y A. Canales Palma.

B. Comprender el planteamiento y el desarrollo de los clculos presentados en losejemplos incluidos en las pginas 5 41 93101 y 76 81.

C. Resolver al menos cinco de los siguientes ejercicios: 91 94 96 98 925928 930 932939 940 969y 970725 cuando la sustancia es 2 o 12,

del Texto: G. V. Van Wylen R. Sonntag y C. Borgnakke "Fundamentos de Termod-inmica"Segunda Edicin, Limusa Wyley (2002).



6.2. Objetivos.

Al trmino de esta unidad Ud.:

A. Podr explicar oralmente y por escrito con no ms de 100 palabras los ciclosRankine que modelan las plantas de fuerza de vapor y el ciclo de refrigeracin porcompresin.

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B. Utilizar la variable de estado entalpa para calcular trabajos, calores y laeciencia de ciclos Rankine o refrigeracin.

C. Empler los concepto de eciencia isentrpica de turbinas y bombas (compre-sores) y caidas de presin y temperatura en tuberias, para obtener la eciencia deciclos Rankine y de refrigeracin irreversibles.


Resolver correctamente en un tiempo no mayor de 90 minutos al menos tresproblemas, seleccionados al azar, de la siguiente lista.

1. Comprara usted una turbina que le asegurarn que produce una potencia desalida de 560 kW con una razn de ujo de 87

) y con las siguientes condiciones:

600 ,250 a la entrada; 25 a la salida? Porqu?

2. Considere el siguiente ciclo:

a) Determinar los calores en cada proceso.

c) Determinar la eciencia.

3. Compare las eciencias de un ciclo Rankine normal entre20 y100 cuandolas sustancias son 2 y 12. Compare sus resultados con la correspondienteeciencia de Carnot.

4. Una planta de vapor opera con vapor a 12 y 500 antes de ingresar ala turbina, la cual tiene una eciencia isoentrpica de 95 %A la salida de la turbina(de alta presin) el vapor entra a un calentador a la presin constante de 2 . El

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vapor se calienta ah hasta 500 para luego entrar a otra turbina (de baja presin)con una eciencia isoentrpica de 90 %. La presin del condensador es de 10 kPa: a)Calcule el trabajo total entregado por las turbinas en

. b) Cul es la eciencia

de la planta? c) Cul es el cociente del trabajo total entre el trabajo neto para laplanta si la bomba es reversible y adiabtica?

5. Considere un ciclo de refrigeracin que utiliza 12 como uido de trabajo.La temperatura del refrigerante en el evaporador es 10 y en el condensador es50 . Calcular el coeciente de realizacin is la eciencia isentrpica del compresores80 %

6.4. Tiempo mximo para terminar esta Unidad.

6 horas.

Trabajo semanal equivalente al de un curso tradicional, de cuatro sesiones de 15horas.

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Captulo 7

Septma Unidad

7.1. Actividades.

A. Estudiar las pginas42 54y 5766del Mdulo:Plantas de fuerza de vapor,refrigeracin y forma general de la primera ley termodinmica (UAM-A, 2006) G.Aragn Gonzlez y A. Canales Palma.

B. Comprender el planteamiento y el desarrollo de los clculos presentados en losejemplos incluidos en las pginas 42 54 y 57 66.

C. Resolver al menos cinco de los siguientes ejercicios:529 531533 560 566579 587 591 594599 5102 5 105y 511cuando la sustancia es gas ideal,2o12, del Texto: G. V. Van Wylen R. Sonntag y C. Borgnakke "Fundamentosde Termodinmica"Segunda Edicin, Limusa Wyley (2002).



7.2. Objetivos

Al trmino de esta unidad Ud.:A. Emplear las Tablas de Propiedades Termodinmicas para poder determinar

estados termodinmicos (presin, temperatura y volumen, energa interna, entalpa

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y entropa especcos) cuando sean conocidas dos variables termodinmicas indepen-dientes.

B. Emplear operativamente la entropa como una variable termodinmica.

C. Aplicar el modelo de ujo estable estado estable a diferentes dispositivoscomo son: turbinas, bombas, compresores, cmara de mezclado, intercambiadores decalor, calderas.



1. Un compresor enfriado por agua con 12como sustancia de trabajo. 12ingresa como vapor saturado a 30 y sale a 800 . El ujo msico es de 09

y el resultado del enfriamiento por agua dan una transferencia de calor de 140

/. La potencia de entrada al compresor es 3 . Determinar la temperatura de

salida del 12.

2. Aire de entra a un compresor adiabtico a1y290y con una velocidad de6 m/s a travs de una seccin012. En la salida, la presin es7 y temperatura

450 con velocidad de2 . Calcular la potencia consumida por el compresor. Si latransferencia de calor al exterior del compresor es 180

. Calcular la potencia.

3. Una turbina de vapor puede operar bajo condiciones de carga parcial haciendopasar vapor en una vlvula de estrangulamiento para hacer que disminuya la presinantes de que entre a la turbina. Las condiciones en la lnea de vapor con: 14 ,300 . La presin de salida en de 10 . Si la turbina es adiabtica reversible,calcular:

a) [

] para condiciones de carga total (vlvula totalmente abierta).

b) La presin a la cual el vapor debe estar despus de pasar la vlvula paraproducir 75 %de carga total a la salida.

4. El ujo msico de12en un ciclo de refrigeracin es de002 . A la entrada

al compresor est a200 ,0 y la presin a la salida es 12 . Suponga que

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el compresor es adiabtico reversible. Qu potencia de motor se requiere para hacerfuncionar el compresor?

5. Calcular la potencia de la siguiente turbina adiabtica irreversible y el cambiode entropa.

6. Vapor de 2 entra a una tobera a 400 , 45 , 25

y sale a una

velocidad de75 . Despus, el vapor ingresa a una turbina adiabtica irreversible y

sale a 10 , 93 % de calidad y una velocidad que es la misma que a la entrada ala tobera. Si el ujo msico al ingresar a la tobera es 2

. Qu potencia entrega la

turbina? (Sugerencia. La entalpa es una variable de estado)

7.4. Tiempo mximo para terminar esta Unidad.

9 horas.

Trabajo semanal equivalente al de un curso tradicional, de seis sesiones de 15horas.

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guia termo

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