Problemas resueltos de Termodinamica

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
“FRANCISCO DE MIRANDA”
ÁREA DE TECNÓLOGIA
COMPLEJO DOCENTE EL SABINO
Unidad Curricular: Termodinámica

PROBLEMAS COMPLEMENTARIOS RESUELTOS Y
PROPUESTOS
(Primer Corte)

Ing. Frank Bello Castillo
Junio 2008

PROBLEMAS RESUELTOS (TERMODINAMICA)
PRIMER PARCIAL
1) Vapor saturado a 120 Psi está contenido en un arreglo cilindro-pistón, el cual tieneinicialmente un volumen de 1
pie3. El vapor es enfriado por medio de un proceso isométrico hasta que la temperatura alcanza 300 °F. El sistema
es luego expandido isotérmicamente hasta que el volumen en el estado 3 es dos veces el inicial. Determinar : a) La
masa de vapor en el estado 1. b) La calidad en el estado 2. c)La presión en estado 2. d) La masa de líquido y vapor en
el estado 2. e) Lapresión en el estado 3. f) Represente el proceso en un diagrama Presión–volumen específico(p-v) y
Temperatura-volumen específico ( T-v)
Solución:
Esquema:

Agua
(Sist)
Seguidamente, hay que clasificar la información por estados:
Edo. 1
P1= 120 psia
V1= 1 pie3
Vapor saturado

Edo. 2
V2=V1=1 pie3
T2 = 300 ° F

Edo. 3
T3=T2 =300 °F
V3=2V1 (expansión)

a) Masa de vapor en el estado 1:Este estado inicial está definido, porque se dice que es vapor saturado y nos especifican su presión, así que como
conocemos el volumen del sistema, lo único que nos haría falta para calcular la masa del sistema sería el volumen específico
del sistema, para posteriormente sustituirlo en la siguiente ecuación:

msis1 = Vsis1 / νsis1

Recuérdese, que el estado de vapor saturado es aqueldonde el vapor está en equilibrio con una cantidad insignificante de
líquido. En otras palabras en el estado inicial todo el sistema, en el sentido práctico, es vapor, así que al calcular la masa del
sistema estamos calculando la masa del vapor:

νsis1= νg @ 120 psia = 3.73 pie3 /Lbm
Sustituyendo:

m sis1 = 1pie3 /3.73 pie3/Lbm = 0.268 Lbm ( mvapor1 )
Téngase presente, que por ser este unsistema cerrado esta masa (total) calculada para este primer estado es la misma para
los restantes, así que:

m sis1 = m sis2= m sis3
b)Calidad en estado 2:
Aunque, se pide que se calcule la calidad lo cual sugiere que el estado es “mezcla”, lo primero que se hará es determinar el
estado, para lo cual es necesario conocer 2 propiedades intensivas independientes.
Hasta este punto, la únicapropiedad intensiva que se conoce del estado 2, es la temperatura: (T2=300 °F), sin embargo
téngase presente que el volumen del sistema también se conoce (V2= 1 pie3) y la masa del sistema es común para todos los
estados, por ser un sistema cerrado(m sis2 = 0.268 Lbm). Con estos dos últimos datos podemos calcular la segunda propiedad
intensiva necesaria, que sería el volumen especifico del sistema:νsis2= Vsis2 / msis2
Así que:

νsis2= 1 pie3 / 0.2680 Lbm = 3.73 pie3/Lbm
Obsérvese que este valor de volumen especifico del estado 2 , es igual al del estado 1. Esto será así cada vez , que el
volumen y la masa permanezcan constantes:

Sí Vsis1 = Vsis2 y msis1 = msis2 entonces: νsis1 = νsis2

Esta última premisa debe tenerse muy presente, porque es bastante frecuente en los problemasque tratan de Sistemas
Cerrados.
En definitiva, se conocen 2 propiedades intensivas independientes del estado 2:

T2=300 °F

y

νsis2= 3.73 pie3/Lbm

Si entramos con esta temperatura en la “Tabla de Saturación” del agua, se lee:

νf = 0.017448 pie3/Lbm

y

νg = 6.472 pie3/Lbm

Si se compara estos valores de saturación con el valor del sistema, se tendrá que:

νsis2>νf

yνsis2νg
El cumplimiento de la primera relación no aporta nada en la determinación del estado, pero el cumplimiento de la segunda
significa que el estado es VAPOR SOBRECALENTADO. Así que la presión se tendrá que buscar en la “Tabla de Vapor
Sobrecalentado”, en donde debemos ubicar a una temperatura de 300 °F un volumen específico de 7.46 pie3/Lbm.
Resolviendo, por interpolación (ver anexo ),...