destruccion tanque

CAPTULO 8453

Comentario Este problema fue resuelto en el captulo 7 para la generacin de entropa. Se podra determinar la exerga destruida simplemente multiplicando las generaciones de entropa por la temperatura ambiente de T0 273 K.

2 kJ

P1 = 1 MPaT1 = 300 C

P2 = 200 kPaT2 = 150 C

Vaporde agua

P0 = 100 kPaT0 = 25 C

Estado 1 Estado 2

FIGURA 8-37Esquema para el ejemplo 8-11.

EJEMPLO 8-11 Destruccin de exerga durante expansin de vapor de agua

Un dispositivo de cilindro-mbolo contiene 0.05 kg de vapor de agua a 1 MPa y 300 C. El vapor se expande a un estado final de 200 kPa y 150 C, por lo que realiza trabajo. Durante este proceso se estiman prdidas de calor del sis-tema hacia los alrededores de 2 kJ. Si se supone que los alrededores estn a T0 25 C y P0 100 kPa, determine a) la exerga del vapor en los estados inicial y final, b) el cambio de exerga del vapor, c) la exerga destruida y d) la eficiencia segn la segunda ley para este proceso.

Solucin En un dispositivo de cilindro-mbolo se expande vapor de agua a un estado especificado. Se determinarn las exergas del vapor en los estados inicial y final, el cambio de exerga, la exerga destruida y la eficiencia segn la segunda ley para este proceso.Suposicin Las energas cintica y potencial son insignificantes. Anlisis Se toma el vapor de agua contenido dentro del dispositivo de cilin-dro-mbolo como el sistema (Fig. 8-37), el cual es un sistema cerrado porque la masa no cruza su frontera durante el proceso. Se observa que el trabajo de frontera se lleva a cabo por el sistema y el calor se pierde desde el sistema durante el proceso. a) Primero determinamos las propiedades del vapor de agua en los estados inicial y final, as como el estado de los alrededores:

Estado 1:

Estado 2:

Estado muerto:

Las exergas del sistema en el estado inicial X1 y final X2 son determinadas a partir de la ecuacin 8-15 como

y

P 0 100 kP a T 0 25 C

f u 0 u f a 25 C 104.83 kJ >kg v 0 v f a 25 C 0.00103 m 3 >kg s 0 s f a 25 C 0.3672 kJ >kg # K

1Tabla A- 4 2

P 2 200 kP a T 2 150 C

f u 2 2 577.1 kJ >kg v 2 0.95986 m 3 >kg 1Tabla A - 6 2s 2 7.2810 kJ >kg # K

P 1 1 MPa T 1 300 C

f u 1 2 793.7 kJ >kg v 1 0.25799 m 3 >kg s 1 7.1246 kJ >kg # K

1Tabla A - 6 2

1298 K 2 3 17.2810 0.3672 2 kJ >kg # K 4 10.05 kg 2 5 12 577.1 104.83 2 kJ >kg

X 2 m 3 1u 2 u 0 2 T 0 1s 2 s 0 2 P 0 1v 2 v 0 2 4

35.0 kJ 1100 kP a 2 3 10.25799 0.00103 2 m 3 >kg 4 6 1kJ >kP a # m 3 2 1298 K 2 3 17.1246 0.3672 2 kJ >kg # K 4 10.05 kg 2 5 12 793.7 104.83 2 kJ >kg

X 1 m 3 1u 1 u 0 2 T 0 1s 1 s 0 2 P 0 1v 1 v 0 2 4

08Chapter_08.indd 45308Chapter_08.indd 453 14/12/11 13:28:5014/12/11 13:28:50

EXERGA: UNA MEDIDA DEL POTENCIAL454

Es decir, inicialmente el vapor de agua tiene un contenido de exerga de 35 kJ que se reduce a 25.4 kJ al final del proceso. En otras palabras, si el vapor experimentara un proceso reversible del estado inicial al estado del ambiente, producira 35 kJ de trabajo til.

b) El cambio de exerga para un proceso simplemente es la diferencia entre la exerga en los estados inicial y final del proceso,

Es decir, si el proceso entre los estados 1 y 2 se ejecutara de forma reversi-ble, el sistema entregara 9.6 kJ de trabajo til.

c) La exerga total destruida durante este proceso puede determinarse del balance de exerga aplicado al sistema extendido (sistema + alrededores inme-diatos) cuya frontera est a la temperatura ambiente T0 (por lo que no hay trans-ferencia de exerga que acompae a la de calor hacia o desde el ambiente),

donde Wu,salida es el trabajo de frontera til entregado mientras el sistema se expande. Al escribir un balance de energa para el sistema, el trabajo de fron-tera total hecho durante el proceso se determina como

ste es el trabajo de frontera total hecho por el sistema, incluido el trabajo hecho contra la atmsfera durante el proceso de expansin para empujar el aire atmosfrico fuera del camino. El trabajo til es la diferencia entre ambos:

Sustituyendo, la exerga destruida se determina como

Es decir, 4.3 kJ de potencial de trabajo se desperdicia durante este proceso. En otros trminos, podran convertirse en trabajo 4.3 kJ adicionales de ener-ga durante este proceso, pero no fue as.

T ransferencia neta de ex er ga Destruccin Cambi o por calor , trabajo y masa de ex er ga en ex er ga

T ransferencia neta de ener ga Cambio de ener gas interna, por calor , trabajo y masa cintica, potencial, etctera

X destruida X 1 X 2 W u ,sal 35.0 25.4 5.3 4.3 kJ

5.3 kJ

8.8 kJ 1100 kP a 2 10.05 kg 2 3 10.9599 0.25799 2 m 3 >kg 4 a 1 kJ 1 kP a # m 3 b

W u W W alr W b ,sal P 0 1V 2 V 1 2 W b ,sal P 0 m 1v 2 v 1 2

8.8 kJ

12 kJ 2 10.05 kg 2 12 577.1 2 793.7 2 kJ >kg W b ,sal Q sal U Q sal m 1u 2 u 1 2

Q sal W b ,sal U

E ent E sal E sistema

X destruida X 1 X 2 W u ,sal

X trabajo,sal X calor,sal X destruida X 2 X 1

X ent X sal X destruida X sistema

0

25.4 kJ 1100 kP a 2 3 10.95986 0.00103 2 m 3 >kg 4 6 1kJ >kP a # m 3 2

aX X 2 X 1 25.4 35.0 9.6 kJ


CAPTULO 8455

Tambin es posible determinar la exerga destruida a partir de

que es el mismo resultado obtenido antes.

d ) Al observar que la disminucin en la exerga del vapor de agua es la exer-ga suministrada, y que la salida de trabajo til es la recuperada, la eficiencia segn la segunda ley para este proceso puede determinarse a partir de

Es decir, 44.8 por ciento del potencial de trabajo del vapor de agua se des-perdicia durante este proceso.

EJEMPLO 8-12 Exerga destruida durante la agitacin de un gas

Un recipiente rgido aislado contiene 2 lbm de aire a 20 psia y 70 F. Una hlice dentro del recipiente se hace girar por una fuente de potencia externa hasta que la temperatura en el recipiente sube a 130 F (Fig. 8-38). Si el aire de los alrededores est a T0 70 F, determine a) la exerga destruida y b) el trabajo reversible para este proceso.

Solucin En un recipiente rgido adiabtico se calentar aire al girar una hlice. Se determinar la exerga destruida y el trabajo reversible para este proceso. Suposiciones 1 El aire en condiciones aproximadas a las atmosfricas puede considerarse como un gas ideal con calores especficos constantes a la tempe-ratura ambiente. 2 Las energas cintica y potencial son insignificantes. 3 El volumen de un recipiente rgido es constante, por lo tanto no hay trabajo de frontera. 4 El recipiente est bien aislado y por lo tanto no hay transferencia de calor. Anlisis Se toma el aire contenido dentro del recipiente como el sistema, el cual es cerrado porque ninguna masa cruza su frontera durante el proceso. Se observa que el trabajo de eje es llevado a cabo sobre el sistema.a) La exerga destruida durante un proceso puede determinarse de un balance de exerga o directamente de Xdestruida T0Sgen. Se emplear el segundo enfo-que, ya que normalmente es ms fcil; pero primero se determinar, a partir de un balance de entropa, la entropa generada,

Airem = 2 lbm

T1 = 70 FP1 = 20 psia

T0 = 70 F

Wpw

FIGURA 8-38Esquema para el ejemplo 8-12.

hII Exerga recuperadaExerga suministrada

W u

X 1 X 2

5.3 35.0 25.4 0.552 o 55.2%

4.3 kJ

1298 K 2 e 10.05 kg 2 3 17.2810 7.1246 2 kJ >kg # K 4 2 kJ 298 K

f

X destruida T 0 S ge n T 0 cm 1s 2 s 1 2 Q alr T 0 d

T ransferencia neta de entropa Generacin Cambi o por calor y masa de entropa de entropa

S ge n mc v ln T 2 T 1

0 S ge n S sistema m c v ln T 2 T 1 R ln V 2 V 1

S ent S sal S gen S sistema

0


Termodinmica

Contenido

Prefacio

Captulo 1. INTRODUCCIN Y CONCEPTOSBSICOS

Captulo 2. ENERGA, TRANSFERENCIADE ENERGA Y ANLISISGENERAL DE ENERGA

Captulo 3. PROPIEDADES DE LASSUSTANCIAS PURAS

Captulo 4. ANLISIS DE ENERGADE SISTEMAS CERRADOS

Captulo 5. ANLISIS DE MASA Y ENERGADE VOLMENES DE CONTROL

Captulo 6. LA SEGUNDA LEY DE LATERMODINMICA

Captulo 7. ENTROPA

Captulo 8. EXERGA: UNA MEDIDADEL POTENCIAL DE TRABAJO

Captulo 9. CICLOS DE POTENCIADE GAS

Captulo 10. CICLOS DE POTENCIA DE VAPORY COMBINADOS

Captulo 11. CICLOS DE REFRIGERACIN

Captulo 12. RELACIONES DE PROPIEDADESTERMODINMICAS

Captulo 13. MEZCLA DE GASES

Captulo 14. MEZCLAS DE GAS-VAPORY ACONDICIONAMIENTO DE AIRE

Captulo 15. REACCIONES QUMICAS

Captulo 16. EQUILIBRIO QUMICOY DE FASE

Captulo 17. FLUJO COMPRESIBLE

Apndices

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