BALANCE DE ENERGÍAIEM, Esp. GLORIA ESMERALDA SANDOVAL MARTINEZ

BIBLIOGRAFIA HIMMELBLAU, D. M. Principios básicos y cálculos de ingeniería química, 6ª ed., Prentice Hall Ltda., 1996

CENGEL, Yunus y BOLES, Michael. Termodinámica. Sexta edición. México. McGraw-Hill/Interamericana editores S. A. de C. V. 2009.

FELDER, ROUSSEAU, Principios elementales de los procesos químicos. Tercera edición. Limusa Wiley. 2004

CONCEPTOS BÁSICOS GENERALIDADES.

ECUACION GENERAL DEL BALANCE DE ENERGÍA

BALANCE DE ENERGÍA EN DISPOSITIVOS

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TABLAS TERMODINAMICA El líquido comprimido o subenfriado es líquido sin la presencia de vapor. Será saturado en el momento en que un calentamiento posterior se traduce en un cambio de fase. El sistema está en una condición de vapor saturado cuando ha desaparecido la última gota de agua líquida. Luego de un calentamiento posteriorestaremos en un estado de vapor sobrecalentado.

TABLAS TERMODINAMICAEn un estado en el que coexistan dos fases, la presión y temperatura son variables dependientespodemos utilizar una propiedad llamada calidad (x) definida como

TABLAS TERMODINAMICA Ya que el volumen es una propiedad extensiva dependiente de la masa, la calidad nos permite calcular el volumen específico dentro de la zona de saturación como una ponderación másica de los volúmenes específicos de la fase gaseosa (vg) y la fase líquida (vf):

(Vg – Vf)

TABLAS TERMODINAMICAEjemplo: Búsqueda de propiedades termodinámicas a través de Tablas Se tiene agua a 150 °C y 200 kPa. ¿Cuál será su estado y su volumen específico ? Solución: Como en principio ni siquiera sabemos si se trata de un líquido, un vapor o un

sistema de más de una fase, debemos resolver ese dilema primero. Se parte del dato de temperatura 150 °C y se entra a la tabla de saturación encontrando que la presión de saturación corresponde a 0,4762 MPa

TABLAS TERMODINAMICA Solución: Como en principio ni siquiera sabemos si se trata de un líquido, un vapor o un sistema de más de una fase, debemos resolver ese dilema primero. Se parte del dato de temperatura 150 °C y se entra a la tabla de saturación encontrando que la presión de saturación corresponde a 0,4762 MPa

P < Psat a la T dada Ó T > Tsat a P dada Vapor Sobrecalentado

TABLAS TERMODINAMICA

TABLAS TERMODINAMICAEjemplo: Propiedades termodinámicas de un líquido comprimido

Se tiene agua a 120 °C y 5 MPa. ¿ Cuál será su estado y su volumen específico ?

La presión de saturación a 120 °C es de 198,53 kPa. El sistema está a una presión mayor, por lo que se puede sospechar que se trata de un líquido comprimido.

Si aproximamos sus propiedades a las del líquido saturado a la misma temperatura obtenemos que:

v @ vf (120 C) = 0,00106 m3 / kg

Casualmente, en este caso, hay tablas de líquido comprimido disponibles y de ellas se lee que el resultado exacto es de

v = 0,0010576 m3/kg.

EJERCICIO 1 Un dispositivo cilindro embolo contiene inicialmente 0,5 m3 de gas nitrógeno a 400 kPa y 27°C dentro del dispositivo se enciende un calentador eléctrico por el cual pasa una corriente de 2A durante 5 minutos desde una fuente de 120 V, el nitrógeno se expande a presión constante y ocurre una pérdida de calor de 2800 J. determine la temperatura final del nitrógeno.

EJERCICIO 2 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene al inicio aire a 150 kPa y 27 °C. En este estado, el émbolo descansa sobre un par de topes, como se ilustra en la figura, y el volumen encerrado es de 400 L. La masa del émbolo es tal que se requiere una presión de 350 kPa para moverlo. Se calienta el aire hasta duplicar su volumen. Determine a) la temperatura final, b) el trabajo que realiza el aire y c) el calor total transferido al aire.

EJERCICIO 3 En un recipiente de cobre aislado térmicamente, que pesa 1 kg y que contiene 5 kg de agua a 10ºC, se introduce un calentador eléctrico de 1500 W de potencia. Calcular el tiempo que transcurrirá hasta que el agua se ponga a hervir, suponiendo que no se producen pérdidas de calor contra el exterior.

(cp cobre = 0,385 kJ/kg.K; cp agua = 4,18 kJ/kg.K)

EJERCICIO 4 Se dispone de un autoclave de una jaula en el que se tratan 900 latas de medio kilo de peso neto por carga. El autoclave está construido en acero inoxidable y pesa 1000 kg. La cesta también es de acero inoxidable y su peso es de 100 kg. Los envases tratados son de hojalata y pesan, en vacío, 50 g cada uno. Calcular el caudal de agua que se consumirá en el proceso de enfriamiento del autoclave, desde 120 hasta 40ºC, si el agua llega al cambiador a 20ºC y lo abandona a 25ºC.

(cp producto: 4 kJ/kg.K; cp acero inox: 0,5 kJ/kg.K; cp hoja lata: 0,6 kJ/kg.K)

EJERCICIO 5 Un recipiente rígido contiene 0.4 m3 de aire a 400 kPa y 30 °C, se conecta con una válvula a un dispositivo de cilindro émbolo, cuyo volumen mínimo es cero. La masa del émbolo es tal que se requiere una presión de 200 kPa para subirlo. Entonces, se abre un poco la válvula, y se deja que pase aire al cilindro, hasta que la presión en el recipiente baje a 200 kPa. Durante este proceso se intercambia calor con los alrededores, de tal modo que el aire en su conjunto permanece siempre a 30 °C. Determine el calor transferido en este proceso.

EJERCICIO 6 El aire entra en un inyector adiabático regularmente en 300 kPa, 200°C, y 30 m/s y se marcha en 100 kPa y 180 m/s. El área de admisión del inyector es 80 cm2. Determine al caudal de masas por el inyector, (b) la temperatura de salida del aire, y c) el área de salida del inyector.

EJERCICIO 7 Un compresor adiabático de aire, se va accionar por una turbina adiabática de vapor directamente acoplada con el compresor y que también esta accionando un generador, el vapor entra a la turbina a 12,5 MPa y 500 °C a razón de 25 kg/s y sale a 10 kPa y una calidad de 0,92. El aire entra al compresor a 98 kPa y 295 °K razón de 10 kg/s y sale a 1 Mpa y 620 K. determine la potencia neta suministrada al generador por la turbina.

EJERCICIO 8Un dispositivo cilindro - émbolo vertical aislado contiene una masa de 10 kg de agua de los cuales 6 kg están en la fase vapor la masa del émbolo es tal que mantiene una presión constante de 200 kPa dentro del cilindro. Entonces se deja entrar vapor de agua a 0.5 MPa y 350°C al cilindro de una línea de suministro hasta que se haya evaporado todo el líquido en el cilindro. Determine:

La temperatura final en el cilindro.

La masa del vapor que entró

EJERCICIO 9 Dos tanques rígidos están separados por medio de una división, el tanque A contiene 0,30 m3 de agua a 450 kPa y ¼ de fracción de masa en fase líquida, el tanque B contiene 0,70 m3 de agua a 200 kPa y 275 °C. se retira la división y con el tiempo los dos tanques alcanzan el mismo estado. Determine a) la presión y la calidad del vapor (si es un vapor húmedo) en el estado 2 b) la cantidad de calor transferido cuando el sistema completo alcanza el equilibrio térmico con los alrededores (25°C).

EJERCICIO 10 Se emplea vapor saturado a 300°C para calentar una corriente de vapor de metanol (CH3OH) que fluye contra corriente de 65°C a 260°C, en un intercambiador de calor adiabático, la velocidad de flujo del metanol es de 5500 litros por minuto. Si el vapor se condensa y sale del intercambiador como agua líquida a 90°C determine:

La velocidad de flujo necesaria del vapor de entrada (kg/min)

La velocidad de transferencia de calor del agua al metanol (kW)

Datos: Cp metanol = 0,05834 kJ/ mol °C. 1 mol = 22,4 L