Termo 46593t

INSTITUTO TECNOLOGICO DE CELAYA

INGENIERÍA QUÍMICA

TERMODINÁMICA

NIEVES GONZÁLEZ JULIÁN GILBERTO

CÁRDENAS RIVERA JOSÉ CARLOS

21/AGOSTO/2017

UNIDAD I

1.1 Se emplea un manómetro de extremo cerrado y otro de extremo abierto (ambos de mercurio) para la medición de la presión en una tubería del gas. La lectura en el primero es de 1570 mm Hg mientras que el segundo es de 814 mm Hg. Calcular la presión manométrica, la presión absoluta y presión atmosférica.

1.2 Si la presión barométrica es de 950 mbar. Determine la presión absoluta en bar para cada uno de los siguientes casos: a) Presión de vacío igual a 12 cm de mercurio b) Presión manométrica igual a 10 bar c) Presión absoluta de 5 cm de mercurio d) Presión de vacío de 20 cm de agua.

1.3 Un fluido de densidad desconocida se utiliza en dos manómetros, uno cerrado y el otro a través de un orificio en una tubería de agua. Las lecturas que se muestran se obtuvieron un día en que la presión barométrica era de 763 mm Hg. ¿Cuál es la presión en mm Hg den el punto A y el punto B?

1.4 Un tanque de acetona se llena a una profundidad de 5 m, un día en que la presión atmosférica es de 752 mm Hg. a) ¿Cuál es la presión manométrica en el fondo del tanque en metros de acetona? En Kpa b) Calcular la presión absoluta en el fondo del tanque en Kpa.

1.5 La lectura de un manómetro unido a un recipiente y a la presión atmosférica están dadas, así que se determina la presión absoluta en el recipiente.

1.6 Determine la presión atmosférica en un lugar donde la lectura barométrica es 740 mm Hg y la aceleración gravitacional es de 9.81 𝑚/𝑠 2 . Suponga que la temperatura del mercurio es de 10°C, a la cual su densidad es de 13570

𝑘𝑔 𝑚3

.

1.7 Una licuadora aislada térmicamente contiene 20 gr de hielo picado. Estime el tiempo en que el hielo se convertirá en líquido, si la licuadora emplea para mover sus aspas con un motor de 0.1 W. Se requiere 335 J para fundir un gramo de hielo.

1.8 Una turbina se impulsa mediante 5000 Kg/h de vapor. El vapor entra a la turbina a 44 atm y 450°C con una velocidad lineal de 60 m/s, y la abandona por un punto situado a 5 mts. por debajo de la entrada de la turbina a presión atmosférica y una velocidad de 360 m/s. La turbina entrega trabajo al eje a un ritmo de 700W y se estima que la perdida de calor de la turbina es de Calcular el cambio de entalpia especifica asociada con este proceso.

104 𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ

.

1.9 Fluye agua desde un recipiente elevado a través de un conducto hasta una turbina ubicada en un nivel inferior y sale de la turbina por una tubería similar a la anterior. En un punto ubicado a 300 ft por encima de la turbina, la presión es de 30 psia, mientras que en un punto ubicado a 10 ft por debajo de la turbina, la presión es de 18 psia. ¿Cuál debe ser el flujo de agua, si la turbina produce una potencia de 1000 H.P?

1.10 Fluye agua a través de un sistema que se muestra más abajo, con un flujo de 20 lts/min. Estimar la presión en el punto (1), si las pérdidas por fricción resultan desperdiciables. (El maestro mostrara la figura).

1.11 Una bomba succiona agua a una presión de 1 bar y la descarga a 8 bar. Despreciando los cambios de densidad, velocidad y altura del agua, estimar el trabajo por unidad de masa requerido. Suponga que el proceso se desarrolla sin fricción y que la densidad es de 1 𝐾𝑔/𝑑𝑚3 .

1.12 El agua fluye en una tubería de tiene un diámetro interno (DI) de 50 mm, con flujo volumétrico de 0.5 m3/s. Determine el gasto másico que fluye en Kg/h.

1.13 Una bomba de agua se coloca en el fondo de un pozo. Si se va a bombear 1

𝑓𝑡 3 𝑠

a la superficie, a 1000 fts de altura, a través de una tubería donde un

diámetro interno (DI) de 4 pulgadas. Determine la potencia que se requiere en lb-ft/s.

1.14 Durante la prueba de una bomba centrifuga, un manómetro de un bourdon que se encuentra en el tubo de descarga, registra una lectura de 40 psig. El tubo de descarga esta 5 ft sobre el tubo de succión. La descarga de agua través de la bomba es de 4

𝑓𝑡 3 𝑠

. Calcular el número de caballos de potencia de

entrada de la bomba de prueba.

1.15 Una mezcla de aire y vapor de agua con una entalpia de 125 J/gr entra a un deshumidificador a razón de 300 kg/h. Por otra parte, agua con entalpia 42 J/gr se drena a razón de 5 kg/h. La mezcla y vapor de agua sale del depósito con una entalpia de 46 J/gr. Determinar el flujo de calor que se disipa en este proceso.

1.16 Determine el trabajo de una bomba si se comprimen 2000 kg/min de agua desde 100 kPa hasta 1 MPa. La densidad del agua es 1000 𝑘𝑔/𝑚3 y su temperatura no cambia, La entrada a la bomba tiene 100 mm de diámetro y la salida tiene 150 mm de diámetro. La entrada se encuentra a 50 m debajo de la salida.

1.17 Un galón es un volumen medido de 231 pulgadas cubicas. Determine la velocidad de una tubería de 2 plg de diámetro cuando el agua fluye a la velocidad de 20 galones/min.

1.18 Supongamos que el nivel de agua que se encuentra en el tanque de la figura siguiente (pedir la figura al maestro) permanece constante y que no hay pérdidas debidas a la fricción, ni el tubo, ni a la entrada, ni en la boquilla. Calcular: a) La rapidez de descarga volumétrica que sale de la boquilla. b) La velocidad y la presión en los puntos A, B, C y D.

1.19 Un globo esférico tiene un diámetro de 0.2 m y contiene aire a una presión de 1.2 bar. Debido al calentamiento, el diámetro del globo aumenta hasta un valor de 0.25 m. durante este proceso, la presión del aire es proporcional al diámetro del globo. Calcule el trabajo de expansión que hace el aire.

1.20 ¿es posible que un sistema realice 100 J de trabajo mientras se le suministra solo 80 J de calor?

1.21 ¿Es posible que un sistema disipe 100 J de calor sin disminuir su temperatura?

UNIDAD 2

2.1 Indique si los siguientes estados termodinámicos el agua se encuentra como liquido comprimido, como vapor húmedo o como vapor sobrecalentado. a) P= 4 bar

T=125°C

b) P=30 bar

T=200°C

c) P=15 bar

T=400°C

d) P=500°C

H=3500 J/gr

e) P=15 bar

V^=240 𝑐𝑚3 /𝑔𝑟

f) T=150°C

V^=100 𝑐𝑚3 /𝑔𝑟

2.2 A una tobera entra vapor a una presión absoluta de 7 bar y a una temperatura de 200°C, con una velocidad prácticamente despreciable. El vapor se descarga a una presión de 2 bar y a una velocidad de 200 m/s., si el proceso de expansión es adiabático, calcular el título del vapor a la descarga si este es húmedo, o la temperatura del vapor si es sobrecalentado.

2.3 Calcular la energía interna del vapor de agua a una presión de 10 bar y con un titulo de 0.9

2.4 Determine la densidad del agua a 20°C y a un bar.

2.5 Se alimenta vapor a 10 bares (absolutos) con 19°C de sobrecalentamiento, a una turbina, con un flujo de 200 kg/h. La operación de la turbina es adiabática y el efluente es vapor saturado a un bar. Calcular la producción de trabajo de la turbina en Kilowatts. Despreciando los cambios de energía cinética y energía potencial.

2.6 Se expande vapor de manera isoentrópica sin cambio de altura y con cambios despreciables de energía cinética entre la sección de entrada y la de salida de una turbina. Si la presión inicial es 800 psia y la temperatura inicial es 600°F. Determine el cambio de entalpia si la presión del estado final es de 200 psia.

2.7 En una caldera se sobrecalienta vapor saturado a presión constante. Determine el estado final si la presión inicial es de 500 psia y la temperatura final es de 800°F. ‘Cuanto calor por libra de vapor añade?

2.8 Un vapor esta inicialmente húmedo, con un contenido de humedad de 3% a una psia. Si se condensa hasta líquido saturado. ¿Cuánto calor se extrae?

2.9 Una turbina de vapor con una extracción toma 3500 kg/h de vapor de una caldera a una presión de 40 bar y a una temperatura de 400°C de este flujo de masa de vapor, se extraen 2700 kg/h como vapor saturado seco a una presión absoluta de 1.5 bar. El resto del vapor es descargado en el condensador a una presión absoluta de 37.5 mm de Hg con un título de 89.5%. Calcular la potencia desarrollada por la turbina.

2.10 Una caldera descarga 100 kg/h de vapor saturado seco a una presión de 10 bar en un cabezal. Otra caldera suministra 10000 Kg/h de vapor a 400°C en el mismo cabezal. Determine las condiciones del estado del vapor en el cabezal.

2.11 Una bomba suministra 10000 Kg/h de agua a una presión de 10 bar y a una temperatura de 30°C. Calcular el gasto o flujo volumétrico del agua.

2.12 Un vapor a 150 psia tiene una calidad de 97%. ¿Cuál es el volumen específico de esta mezcla?

2.13 Se desean comprimir 2.5 m3/min de aire desde una presión de 1 bar y a una temperatura de 25°C hasta una presión de 4 bar. Suponiendo que el proceso de compresión es adiabático y sin fricción. Determine: a) La temperatura del aire en la descarga del compresor. b) La potencia necesaria para impulsar el compresor.

2.14 En un cilindro se expande el aire de forma isotérmica hasta duplicar su volumen. Al principio el aire se encuentra a una presión de 5 bar y a una temperatura de 30°C. Suponiendo que el proceso de expansión no tiene fricción, calcule el trabajo desarrollado por unidad de masa y la presión final.

2.15 El proceso de compresión en un motor de diésel puede tomarse como un proceso politropico de la forma P V1.3 = C, el aire se comprime hasta ocupar un 1/15 del volumen inicial. Si la presión y la temperatura iniciales es de un bar y 80°C respectivamente. Calcular: a) El volumen inicial b) La presión final c) La temperatura Final

2.16 Considere una tobera en el cual el aire e expande adiabáticamente y sin fricción desde una presión de 10 bar y una temperatura de 400°C, hasta una presión de 1 bar. Determine la velocidad del aire a la salida y el flujo de masa, si el área a la descarga es de 0.2 cm2. Suponga que la velocidad del aire a la entrada es despreciable, y el calor específico a presión constante es igual a 1 J/gr-°K. Suponga que K.=1.20.

2.17 Un abanico impulsa 50 m3/s de aire a 0.9 bar, 30°C y con una velocidad de 3 m/s, hasta alcanzar una presión de 0.96 bar y una velocidad de 15 m/s. Estime la potencia requerida por el abanico suponiendo que el proceso es adiabático y no tiene fricción.

2.18 Calcule la cantidad de calor requerido para incrementar la temperatura de 1kg de CO2 desde 500°K hasta 1500 °K. Si la presión de mantiene constante a 1 bar. Calcule además el cambio en energía interna.

2.19 A una tobera entra a 3 bar y 80 °C con velocidad despreciable, y se expande adiabáticamente y sin fricción hasta una presión de 1.5 bar. Calcular. a) La velocidad del aire a la descarga. b) La disminución en energía interna.

2.20 Un gramo de aire se encuentra en un recipiente rígido y aislado a una presión de 1 bar y a una temperatura de 25°C. Mediante un agitador impulsado externamente, la temperatura del aire se incrementa hasta 50°C. Calcular: a) El trabajo necesario para lograr este incremento de temperatura. b) La presión final.

2.21 Se desea comprimir 0.685 kg de aire en un compresor centrífugo, desde una presión absoluta de 0.8 bar y una temperatura de 298°K, hasta una presión de 3.2 bar. La densidad del aire en la succión del compresor es de 0.935 kg/m 3. Calcular la potencia requerida para impulsar el compresor, suponiendo que el proceso no tiene fricción y puede expresarse de la forma PV1.4=C, donde C es una constante. Los cambios de EC y de EP del aire son insignificantes.

2.22 Mediante el factor de compresibilidad generalizado calcule el volumen específico del vapor de agua a 100 bar y 500°C. Las tablas de vapor indican un valor de 32.79 cm3/g.

2.23 Calcule la cantidad de calor requerido para incrementar la temperatura de 2kg de metano desde 200 hasta 500°C, mientras la presión se mantiene constante en 1.5 bar.

UNIDAD 3

3.1 Calcule el calor de vaporización del agua (La entalpía que genere a 50°C) en KJ/mol a 50°C y presión baja a partir del calor de vaporización. Indique con claridad la trayectoria del proceso.

3.2 El vapor del benceno a 580°C se enfría y se transforma en un líquido a 25°C en un condensador continuo. El condensador se hace pasar a tambores de 1.75 m^3, cada uno de los cuales tarda 2.0 minutos en llenarse. Calcule la velocidad en KW a la cual se transfiere calor del benceno en el condensador.

3.3 Se condensa vapor de n-hexano a 140°C y atm y se subenfría hasta 60°C en un intercambiador de calor. El agua de enfriamiento se calienta en el intercambiador desde 20°C hasta 50°C. El flujo de entrada del hexano es de 1.5 m^3/min, calcular el flujo de agua requerido en litros/min.

3.4 a) Determine la entalpía especifica (KJ/mol) del vapor de n-hexano a 200°C y 2.0 atm, en relación con el hexano líquido a 20°C y 1.0 atm, suponiendo que el vapor se comporta como gas ideal. Demuestre con claridad la trayectoria del proceso construida para estos cálculos, e indique los cambios de entalpía en cada paso. Señale dónde aplico la suposición de idealidad del gas. b) ¿Cuál es la entalpía del n-hexano líquido a 200°C y 1 atm en relación con el vapor de n-hexano a 200°C y 2.0 atm? c) A partir del vapor de entalpía calculada en el inciso (a) y suponiendo comportamiento ideal del gas, determine la energía interna especifica del vapor a 200°C y 2.0 atm. Indique de nuevo dónde empleo la suposición de idealidad del gas.

3.5 ¿A qué velocidad en Kilowatts debe transferirse calor a una corriente líquida de metano a su punto de ebullición normal para generar 1500 gr/min de vapor de metano saturado?

3.6 Cien gr/mol por hora de n-hexano líquido a 25°C y 7 bar se vaporiza y calienta a 300°C a presión constante. Despreciando el efecto de la presión sobre la entalpia, estime la velocidad a la cual debe subministrase calor.

3.7 Deberá utilizarse vapor saturado a 270°F a fin de calentar una corriente de etano desde 60 hasta 200°F. El etanol entra al intercambiador de calor a 60°F y 20 psia, con un flujo de 27890 pies^3/min. El vapor se condensa y abandona el intercambiador como líquido a 80°F. La entalpia específica del etano a psia es de 450 Btu/min a 60°F, y de 513 Btu/Lam a 200°F. a) ¿Cuánto calor debe de proporcionarse para calentar el etano desde 60°F hasta 200°F? b) ¿A que ritmo, Lbm/min, debe suministrase vapor al intercambiador?

3.8 Use la ley de Hess para calcular el calor estándar de la reacción de desplazamiento agua-gas. CO (g) + H2O ----------------------CO2 (g) + H2 (g) Para cada uno de los conjuntos de datos que se dan aquí. a) CO(g) + H2O(l) --------CO2(g) + H2(g) H2O (l) ---------H2O (v)

Btu

∆𝐻^o r = 1226 𝐿𝑏−𝑚𝑜𝑙 Btu

∆𝐻^o v = 18935 Lb−mol Btu

b) CO(g) + ½ O2(g) --------------- CO2 (g) ∆𝐻^o r = −121740 𝐿𝑏−𝑚𝑜𝑙 H2 + ½ O2 (g) ------------------- H2O (v)

Btu

∆𝐻^o r = −104040 𝐿𝑏−𝑚𝑜𝑙

3.9 Los calores estándar de las siguientes reacciones de combustión se determinaron en forma experimental: 7

𝐾𝐽

1) C2H6 + 2 𝑂2 ---------------2CO2 + 3H2O ∆𝐻^o r1 = −1559.8 𝑚𝑜𝑙 KJ

∆𝐻^o r2 = −393.5 𝑚𝑜𝑙

2) C + O2 ----- CO2 1

3) H2 +2 O2 ------- H2O

KJ

∆𝐻^o r3 = −285.8 𝑚𝑜𝑙

Aplique la ley de Hess y los calores de reacción dados para determinar el calor estándar de la reacción: 2C + 3H2 --------C6H6

∆𝐻^o r4 = ?

3.10 El calor estándar de la combustión de vapor de CO2 es: KJ

C4H10 (g) +13/2 O2 (g) ----------4CO2 (g) + 5H2O (l)∆𝐻^o r = −2878 𝑚𝑜𝑙 Calcular la velocidad de cambio de entalpía ∆H (KJ/s), si se producen 2400 mol/s de CO2 en esta reacción y tanto los reactivos como los productos están a 25°C.

3.11 Los calores de vaporización de n-butano y el agua a 25°C son 19.2 KJ/mol y 44 KJ/mol, respectivamente. ¿Cuál es el calor estándar de la reacción? C4H10 (l) + 13/2 O2 (g) ----------------- 4CO2 + 5H2O (v) Calcular ∆𝐻^o r si se producen 2400 mol/s de CO2 en esta reaccion y tanto reactivos como productos están a 25°C.

3.12 El formaldehido puede producirse entre metanol y oxigeno: 2CH3OH (l) + O2 ------ 2HCHO (g) + 2H2O (l)

KJ

∆𝐻^o r = −362.2 𝑚𝑜𝑙

El calor estándar de combustión del hidrogeno es: H2 (g) + ½ O2 --------------H2O (l)

KJ

∆𝐻^o r = −285.8 𝑚𝑜𝑙

Utilice estos calores de reacción y la ley de Hess para determinar el calor estándar de la descomposición directa de metanol para formaldehido. CH3OH (l) -------- HCHO (g)+ H2

UNIDAD 4

4.1 Un refrigerador de Carnot opera entre los límites de temperatura de -30°C y 25°C. Una máquina de Carnot que opera entre límites de 500 °C y 25 °C, suministra la potencia requerida por el refrigerador. Calcular: a) La eficiencia térmica de la máquina de Carnot. b) El coeficiente de funcionamiento del refrigerador de Carnot. c) El coeficiente de calor absorbido por el refrigerador al calor absorbido por la maquina térmica.

4.2 Una máquina de Carnot está compuesta por un condensador, una turbina, un evaporador y una bomba, y su medio de trabajo es vapor de agua. Los estados termodinámicos en el ciclo están determinados por las siguientes propiedades: Estado P, bar X

1 10 0.8

2 10 1

3 3 0.9

4 2 0.0

Calcular: a) b) c) d) e)

La eficiencia térmica de la máquina. El trabajo suministrado al ciclo. El trabajo neto desarrollado por la máquina. El calor disipado por la máquina. Dibuje el ciclo termodinámico en un diagrama presión – volumen.

4.3 La eficiencia de una maquina térmica es igual a 25%. Calcular: a) El calor tomado por la maquina por cada KW-h de trabajo desarrollado b) El coeficiente de calor tomado al calor disipado. c) El cociente del trabajo desarrollado al calor disipado.

4.4 Una máquina de Carnot opera con vapor húmedo entre presiones de 50 y 1 bar. Si la maquina toma 1640.1 J/gr de calor, determine: a) Su eficiencia térmica. b) El trabajo desarrollado por gramo de agua. c) El calor que disipa.

4.5 Un refrigerador de Carnot opera entre -5°C y 30°C. Calcule el coeficiente de funcionamiento.

4.6 La eficiencia de una máquina de Carnot es igual a 30%. Si la máquina desarrolla 1 KW de potencia, calcular el flujo de calor que toma.

4.7 En un compresor se comprime de manera adiabática cierto fluido de masa de aire desde una presión 1 bar y una temperatura de 25°C hasta una presión de 5 bar. a) Calcula la temperatura mínima que puede adquirir el aire a la descarga del compresor. b) Calcule el trabajo mínimo por unidad de masa que requiere el compresor.

4.8 En un cilindro de motor diésel se comprime de modo adiabático cierta cantidad de aire a 1 bar y 70°C hasta que el volumen inicial se reduce 20 veces. Si la temperatura adquirida por el aire durante la compresión es de 900°C calcule al cambio de entropía que experimenta el aire.

4.9 La carrera de expansión en un motor de combustión interna puede razonablemente simularse mediante un proceso de expansión politropico. Si el volumen de la cámara de combustión de un motor es 46.4 cm 3 la presión y temperatura de los gases en ellas son iguales a 60 bar y 1500°C y se expanden a una relación de volúmenes de 8:1 a lo largo de una trayectoria reversible cuyo exponente politropico es igual a 1.3 suponiendo que hay mayor cantidad de aire calcular : a) El trabajo por unidad de masa desarrollado b) El calor disipado por unidad de masa c) El cambio de entropía por unidad de masa

4.10 Un calentador eléctrico de 1.5 KW se coloca en una habitación aislada de 50 m3 si la temperatura del aire-ambiente es de 10°C y la presión atmosférica de 1 bar. Calcule el cambio de entropía que sufre el aire después de 10 min de operación del calentador.

4.11 En un sistema cerrado se expande de forma adiabática y reversible un gramo de vapor saturado seco a una presión de 10 bar hasta una presión de 1 bar. Calcule: a) El título de vapor al finalizar el proceso b) El trabajo desarrollado por el sistema

4.12 Una válvula recibe vapor a 60 bar y 500 °C y lo descarga a 20 bar. Estime el cambio de entropía que experimenta el vapor.

Proyecto de Investigación