examen tercero termodinamica

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Luis Adad González Fragoso Examen tercero termodinámica Instrucciones: Responder cada pregunta con sus propias palabras Al entregarlo responderás a cualquiera de las preguntas para hacer valida la recepción del mismo. El documento deberá realizarse en digital y entregarlo de manera impresa. Los trabajos repetidos serán anulados 1. Un astronauta de 70 kg pesa 680 N en la báscula de baño antes de entrar en un cohete para la luna. Utilizando una báscula de muelle en la Luna donde g=1.67 m/s2 ¿sigue pesando 680 N? ¿ha variado su masa? RESPUESTA Ya no pesa lo mismo debido a que la gravedad cambió y la masa no, debido a que es el mismo sujeto y no pudo haber variado su masa durante el viaje, así que partiendo de que W=mg, donde: “W” es el peso; “m” es la masa y “g” la gravedad. Entonces una vez que está en la luna su peso es: W= (70 kg) (1.67 m/s2)= 116.9 N. Y como ya mencioné su masa permanece igual, lo que se modifica es la gravedad, de modo que al haber menos gravedad el cuerpo es más liviano 2. Explica la diferencia entre presión absoluta y presión manométrica RESPUESTA La presión Absoluta (Pabs.) se refiere a la presión real medida en un determinada posición, mientras que la presión Manométrica (Pman.) se entiende como una diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica. Por lo tanto considero que la diferencia principal entre éstas radica en que la Pabs. se mide respecto al vacío y la Pman se mide respecto a la Presión atmosférica, la cual disminuye en relación al aumento de la altitud del cuerpo a medir. De modo que la Pabs. se utiliza para el cálculo de la Pman. debido a que todos los sistemas se calibran a cero en la atmósfera. 3. ¿A qué temperatura en Kelvine y en Rankine dará la misma lectura los termómetros calibrados en Celsius y en

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Page 1: Examen Tercero Termodinamica

Luis Adad González Fragoso

Examen tercero termodinámica

Instrucciones:

Responder cada pregunta con sus propias palabras

Al entregarlo responderás a cualquiera de las preguntas para hacer valida la recepción del mismo.

El documento deberá realizarse en digital y entregarlo de manera impresa.

Los trabajos repetidos serán anulados

1. Un astronauta de 70 kg pesa 680 N en la báscula de baño antes de entrar en un cohete para la luna. Utilizando una báscula de muelle en la Luna donde g=1.67 m/s2 ¿sigue pesando 680 N? ¿ha variado su masa?RESPUESTAYa no pesa lo mismo debido a que la gravedad cambió y la masa no, debido a que es el mismo sujeto y no pudo haber variado su masa durante el viaje, así que partiendo de que W=mg, donde: “W” es el peso; “m” es la masa y “g” la gravedad. Entonces una vez que está en la luna su peso es: W= (70 kg) (1.67 m/s2)= 116.9 N. Y como ya mencioné su masa permanece igual, lo que se modifica es la gravedad, de modo que al haber menos gravedad el cuerpo es más liviano

2. Explica la diferencia entre presión absoluta y presión manométricaRESPUESTALa presión Absoluta (Pabs.) se refiere a la presión real medida en un determinada posición, mientras que la presión Manométrica (Pman.) se entiende como una diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica. Por lo tanto considero que la diferencia principal entre éstas radica en que la Pabs. se mide respecto al vacío y la Pman se mide respecto a la Presión atmosférica, la cual disminuye en relación al aumento de la altitud del cuerpo a medir. De modo que la Pabs. se utiliza para el cálculo de la Pman. debido a que todos los sistemas se calibran a cero en la atmósfera.

3. ¿A qué temperatura en Kelvine y en Rankine dará la misma lectura los termómetros calibrados en Celsius y en Fahrenheit?RESPUESTAGrados Centígrados a Kelvin (en el grado 100), ya que en ambos crecen en intervalos de 1, porque empieza de 0 a 100 y de 273 a 373.Grados Fahrenheit a Rankine (en el grado 180), ya que en ambos crecen en intervalos de 1 porque empieza de 32 a 212 y de 492 a 697.

4. ¿Cuáles son dos métodos físicos para diseñar un sistema adiabático?RESPUESTA:1.-) Que sistema no intercambie calor con el exterior. 2.-) Que la variación de energía interna es igual al trabajo realizado en el sistema.

5. ¿Cómo distingues un vapor saturado de un sobrecalentado a la misma presión?RESPUESTA:Por la Temperatura a la que esté, ya que, la temperatura del vapor sobrecalentado a diferencia de la del vapor saturado, puede variar considerablemente para una misma presión.

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6. ¿Cuál es la diferencia entre punto crítico y punto triple de una sustancia pura?RESPUESTA:Que el punto crítico y el de congelación dependen de la presión, y el punto triple es una propiedad fija, ya que, nos da a conocer las condiciones de temperatura y presión en las cuales pueden coexistir las 3 fases de una sustancia pura.

7. En qué condiciones limite se comportan los gases como gas ideal.RESPUESTA:Todas las moléculas del gas ideal, tienen las mismas masas y se mueven al azar.Las moléculas son muy pequeñas y la distancia entre las misma es muy grande.Entre las moléculas, no actúa ninguna fuerza, y en el único caso en que se influyen unas a otras es cuando chocan.Cuando una molécula choca con el poder del continente o con otra molécula, no hay pérdida de energía cinética.La fuerza gravitatoria, que ejerce la tierra sobre las moléculas, se considera despreciable por lo que a su efecto sobre el movimiento de las moléculas se refiere.Las moléculas se mueven a tal velocidad que chocan con la pared del continente o entre si antes de que la gravedad pueda influir de modo apreciable en su movimiento. Todo lo anterior se define debido a la ley de los gases ideales (P*V=NRT) y ésta a su vez viene de las leyes de Boyle (V1.P1=V2.P2), de Charles (“A una presión dada el volumen es directamente proporcional a la Temperatura”) y de Gay-Lussac (“La presión de un gas que se mantiene a volumen constante, es directamente proporcional a la temperatura”).

8. Como puedes decir que un volumen de control sea estacionarioRESPUESTA:Cuando el flujo que pasa por el volumen de control es constante y sin variaciones.

9. ¿Cuáles son las condiciones necesarias para un flujo uniforme?RESPUESTA:CUANDO;La profundidad, el área mojada, la velocidad y el caudal en cada sección del canal son constantes.La línea de energía, la superficie del agua y el fondo del canal son paralelos, es decir, sus pendientes son todas iguales Sf = Sw = So = S, donde Sf es la pendiente de la línea de energía, Sw es la pendiente del agua y So es la pendiente del fondo del canal.

10. Descríbanse cuatro ejemplos prácticos de procesos unidireccionales de observación diariaRESPUESTA:1.-) Cuando alguien expone algo en clase; Forma parte de un proceso de comunicación unidireccional, ya que, el individuo proporciona la información a otra(as) personas sin recibir una contestación o retroalimentación directa.2.-) El Tiempo, ya que es algo que va en una sola dirección y no lo puedes regresar.3.-) La toma de decisiones, debido a que una vez que haces algo ya no lo puedes deshacer

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ni rehacerlo de una mejor manera, porque el verbo hubiera no existe.4.-)

11. Describe la diferencia entre reversibilidad total, interna y externaRESPUESTA:La diferencia entre las 3 es que la reversibilidad total, se da cuando el ciclo es totalmente reversible, es decir, que puede volver a tomar sus condiciones iniciales después de haber pasado por varios procesos, mientras que la interna refiere lo mismo pero con la diferencia que en el exterior del ciclo hay un intercambio de calor con una diferencia de temperatura, por lo tanto éste es externamente irreversible pero internamente reversible. Y por último es lo contrario, es decir, el ciclo en su interior desarrolla alguna irreversibilidad como la fricción mientras que en su exterior permanece reversible, por lo tanto tiene una reversibilidad externa.

12. Describe que el ciclo de CarnotRESPUESTA:Una máquina de Carnot convierte la máxima energía térmica posible en trabajo mecánico. Carnot demostró que la eficiencia máxima de cualquier máquina depende de la diferencia entre las temperaturas máximas y mínimas alcanzadas durante el ciclo, cuanto mayor es esa diferencia más eficiente es la máquina.Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas, tal como se muestra en la figura.

La representación gráfica del ciclo de Carnot en un diagrama p-V es el siguiente

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Tramo A-B isoterma a la temperatura T1

Tramo B-C adiabática

Tramo C-D isoterma a la temperatura T2

Tramo D-A adiabática

13. Describe la desigualdad de Kelvin-PlanckRESPUESTA:Ésta es más bien una definición y/o interpretación que él le dio a la segunda ley de la Termodinámica, en la cual nos dice que: “Es imposible construir un aparato que opere cíclicamente, cuyo único efecto sea absorber calor de una fuente de temperatura y convertirlo en una cantidad equivalente de trabajo”. Es decir que no es posible construir alguna máquina cuyo único fin sea extraer calor de una fuente de temperatura para convertirlo en su equivalente de trabajo.

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14. Cuando un ciclo es internamente reversible, internamente irreversible o imposibleRESPUESTA:Internamente reversible.- Se le llama así cuando a un proceso se le lleva de un estado inicial a uno final y éste puede retomar sus condiciones originales, ya que, si todos los procesos son internamente reversibles, el ciclo también lo es.Internamente irreversible.- Se puede definir como lo contrario del anterior, es decir, cuando un proceso es llevado de un estado inicial a uno final y éste no puede retomar sus condiciones originales, ya que, en el interior de éste se involucra alguna irreversibilidad, como la fricción.Imposible: Tomando en cuenta los enunciados de Clausius y Kelvin podemos expresar que un ciclo es imposible cuando: “Un proceso tiene como único fin extraer calor de una fuente a una cierta temperatura y convertirlo en trabajo” o “Un proceso tiene como fin transferir calor de un cuerpo a una cierta temperatura a otro con un temperatura superior”. Y muy generalmente podemos decir que éste tipo de procesos son todos aquellos que decrementan la entropía.

15. Resuelve tres ciclos simples de vapor donde uno sea imposible, otro internamente irreversible y el tercero internamente reversibleRESPUESTA:

ImposibleSuponga que una persona le comenta que construyó una máquina térmica la cual, en cada ciclo, recibe 100 cal de la fuente caliente y realiza un trabajo de 418 J. Sabiendo que 1 cal = 4.18 J. ¿Qué puede opinar al respecto?

Solución: Si la máquina recibe 100 cal de la fuente caliente quiere decir que:

Ahora por fórmula tenemos:

Que multiplicado por 100, tenemos

Entonces podemos concluir como respuesta, que eso es imposible ya que viola la segunda ley de la termodinámica, al decir que una máquina no puede realizar una eficiencia de 100%, puesto que al realizar algún trabajo la energía tiene que disiparse de alguna forma o transformarse en otra cosa.

Internamente ReversibleConsidere una central eléctrica de vapor que opera en un ciclo Rankine ideal simple y que tiene una salida de neta de potencia de 45 MW. El vapor entra a la turbina a 7 MPa y 500 °C, y se enfría en el condensador a una presión de 10 kPa mediante el agua de enfriamiento proveniente de un lago y que circula por los tubos del condensador a una tasa de 2000 kg/s. Muestre el ciclo en un

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diagrama T-s respecto de las líneas de saturación y determine a) la eficiencia térmica del ciclo, b) el flujo másico del vapor y c) el aumento de temperatura del agua de enfriamiento.

Diagrama T-s

Por lo tanto, se tiene:

La eficiencia térmica.

Volumen de control: Turbina.

Estado a la entrada: P3, T3 conocidas; estado fijo.

Estado a la salida: P4 conocida.

Análisis:

Primera ley:

Segunda ley:

Propiedades de los puntos:

(Tabla Cengel) → h3=3410,5 kJ/kg, s3=6.798kJ/kgK,

s3=s4=6,798kJ/kgK → 6,798=0,6493+x47,5009

x4=0,8197 → h4=191,83+0,8197(2392,8)

h4=2153,2 kJ/kg

s3=s4s1=s2

T (°C)500

10 kPa

7 MPa

w turb=h3−h4

s4=s3

w turb=3410 ,5−2153 ,2=1247 ,3kJ /kg

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La eficiencia térmica del ciclo.

Volumen de control: bomba.

Estado a la entrada: P1 conocida, líquido saturado; estado fijo.

Estado a la salida: P2 conocida.

Análisis:

Primera ley:

Segunda ley:

Porque

Propiedades de los puntos:

(Tabla Cengel) → h1= 191,83kJ/kg, v1=0,001010 m3/kg

Como el líquido se considera incompresible, se tiene:

Volumen de control: caldera

Estado a la entrada: P2, h2 conocidas; estado fijo.

Estado a la salida: P3, h3 conocidas, estado 3 fijo (según se indica).

wbomb=h2−h1

s2=s1

s2=s1 , h2−h1=∫1

2vdP

h2=191,83+0,001010(7000-10)=198,89 kJkg

wbomb=198 ,86−191 ,83=7 ,03kJ /kg

wneto=w turb−wbomb=1247,3-7,03=1240,27kJ/kg

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Análisis:

Primera ley:

El flujo másico del vapor.

El aumento de temperatura del agua de enfriamiento.

Volumen de control: condensador.

Estado a la entrada, vapor: P4, h4 conocida, estado 4 fijo.

Estado a la entrada, H2O: estado líquido.

Estado a la salida, vapor: P1 conocida, líquido saturado, estado 1 fijo.

Estado a la salida, H20: estado líquido.

Análisis:

Primera ley:

qcald=h3−h2

qcald=3410 ,5−198 ,89=3211,6 kJ /kg

η=wnetoqcald

=1240 ,273211 ,6

=38,6%

mcald=W neta

wneto= 45000

1240,27=36,28kg/s

QH2O=Qvapor

mH2OCH 2O ΔT H2O=mcond( h4−h1)

ΔT H 2O=mcald(h4−h1 )CH 2O mH 2O

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Propiedades de los puntos:

(Tabla Cengel: “propiedades de líquidos, sólidos y alimentos comunes”) → CH2O=4,18kJ/kg°C

Si CH20 es el calor específico del agua líquida en condiciones ambientales (como se obtiene del lago) y ΔTH20 es el cambio de temperatura del agua de enfriamiento, se tiene:

Internamente Irreversible

ΔT H 2O=36 ,28(2153 ,2−191 ,83 )

4 ,18(2000 ) =8,51° C