Pauta De Termodinamica

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA METROPOLITANA DEPARTAMENTO DE MECANICA 1s/2012 CONTROL I TERMODINAMICA ICI NOMBRE:

1. Un cilindro con un émbolo sin fricción contiene 0,185 lbm de agua a 100 ºF. El volumen encerrado inicial debajo del émbolo es de 0,65 pies3. El émbolo tiene un área de 60 pulg2 y una masa de 125 lbm. Inicialmente el émbolo descansa en unos topes. La presión atmosférica es de 14 psi yla aceleración de gravedad de 30,98 pies/s2. Se transmite calor al vapor hasta que el cilindro vapor saturado y seco. Determine: a) Temperatura del agua cuando el émbolo comienza a levantarse de los topes. b) Trabajo que ejecuta el vapor durante el proceso.

vapor

Líquido

2. El vapor contenido en un cilindro se expande, empujando el émbolo. Las condiciones antes y después de la expansiónson las siguientes: Antes de la expansión: Presión 12 bar; Volumen 2,83 lts; Temperatura 250 ºC. Después de la expansión Presión 2 Bar; Volumen 17 lts. La transmisión de calor al cilindro durante la expansión fue de 0,85 kJ. Determine el trabajo efectuado durante el proceso.

3.

Un estanque rígido y aislado inicialmente contiene 5 kg de mezcla refrigerante 134a a 30 ºC. En este estado un 25 %del volumen del estanque es ocupado por refrigerante líquido y el resto por vapor. Se enciende una resistencia eléctrica ubicado en el interior del estanque y al cabo de 20 minutos se observa que el estanqie contiene solamente vapor saturado. Determinar: a) Volumen del estanque b) Temperatura final del refrigerante c) Flujo de calor entregado por la resistencia eléctrica

PROBLEMA Nº1

Estado1 (inicial) m = 0,185 lbm T1 = 100 ºF V1 = 0,65 pie3 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Estado 2 (cuando el pistón se despega de los topes) V2 = V1 = 0,65 pie3 v2 = V2/m = 0,65/0,185 = 3,514 pie3/lbm (0,2)

Para que el pistón se despegue de los topes, la fuerza hacia arriba producto de la presión del fluido alinterior del cilindro, debe ser mayor a la resistencia que presenta el pistón para moverse, es decir, a la suma del peso del pistón más la fuerza producto de la presión atmosférica. Esto queda representado en el siguiente diagrama de cuerpo libre (DCL): Fa = fuerza debido a la presión atmosférica = PaAp Ap = área de pistón = 60 pulg2 Pa = 14 psi Fa = 14 60 = 840 lbf (0,1) (0,1) P = (840 + 120,3)/60 =16 psi (0,2)

W = mpg/gc = 125 30,98/32,2=120,3 lbf Del DCL se tiene: F = P Ap = Fa + W

El agua en este estado se encuentra a P2 = 16 psi y v2 = v1 = 3,514 pie3/lbm De la tabla termodinámica del agua se puede observar que a P = 16 psi (valor a interpolar) el volumen específico de 3,514 pie3/lbm es > vf y < vg a esa presión y por lo tanto el agua se encuentra como mezcla a 16 psi, por lo quela temperatura corresponde a la temperatura de saturación a esta presión: (0,4) 3 3 P (psi) T (ºF) vf (pie /lbm) vg (pie /lbm) 15 213,03 0,01672 26,29  Valores interpolados 16 T2 0,1674 25,05 20 227,96 0,01683 20,089 (T2 – 213,03) / (227,96-213,03) = (16 – 15) / (20 – 15) T2 = 216 ºF (0,4)---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Estado final (vapor saturado) Como una vez que el pistón asciende el proceso se desarrolla a presión constante P 3 = P2 = 16 psi y v3 = vg De la tabla a anterior, a 16 psi se interpola el valor de vg: (vg – 26,29) / (20,089 – 26,29) = (16 – 15) / (20 – 15) vg = 25,05 pie3/lbm (0,2)

Por lo tanto el volumen final es V3 = m v3 = 0,185 25,05 = 4,634 pie3/lbm Para este proceso a P = cte W =P2(V3 - V2) = 16[lbf/pulg2](4,634 – 0,65)[pie3](144 pulg2/pie2] (0,4)

W = 9179 [lbf pie] / 778 [lbf pie/BTU] = 11,8 BTU

PROBLEMA Nº 2

P1 = 12 bar = 1,2 MPa V1 = 2,83 lt = 0,00283 m3 T1 = 250 ºC

P2 = 2 bar = 0,2 MPa V2 = 17 lt = 0,017 m3

La primera ley para un sistema cerrado sin cambios en la energía cinética y potencial es: Q1-2 = U2 - U1 + W1-2 W1-2 = Q1-2 – m(u2-u1) (0,2)...