TERMODINÁMICA

SEMANA 3

uuuuuuuuuu
14 de noviembre de 2021
INTRODUCCIÓN
Se busca reconocer mecanismos de interpretación de la primera ley de termodinámica, además del
desarrollo de ejercicios donde se aplicarán los conceptos, formulas aprendidos. En este periodo, también
de poder interpretar y aplicar las tablas termodinámicas.
DESARROLLO
 Responda con sus propias palabras las siguientes interrogantes:

a.- Señale dos enunciados de la 1ra Ley de la termodinámica e indique cómo se relacionan

entre sí.

Señalare los enunciados de sistemas

 Sistemas abiertos, son aquellos que intercambian materia, calor entre otros, con su entorno como
por ejemplo la estufa en una habitación, aumentará la temperatura y sentirá más agradable.
 Sistema cerrado, este es más específico por que no intercambiara materia, pero si calor como lo es
un termo, el cual almacena agua caliente por un determinado tiempo.

Estos sistemas se relacionarían entre sí por que pueden transmitir energía como lo es el calor de forma
estable, o transportada a otro entorno.

b.- La energía cinética de un fluido aumenta a medida que se acelera en una tobera

adiabática. ¿De dónde procede esa energía cinética?

Esta energía varia por medio de la aceleración porque se puede incrementar o disminuir dependiendo del
tipo de esfuerzo que sea sometida. Ademas si se le aplica calor este podría disminuir su velocidad de
salida, producto de un incremento de fuerza interna en la tobera esta reduce la energía cinética.

c.- ¿Qué es energía de flujo? ¿Poseen energía de flujo los fluidos en reposo?

La energía de flujo es aquella que encierra la presión que se beneficia, además esta energía posee la
característica de insertar, extraer líquidos de un volumen o masa. No poseen energía llaqué no tienen
movimiento se encuentran estática.
  Una casa tiene un sistema eléctrico de calefacción, formado por un ventilador de 300 W

de potencia y un elemento calefactor de resistencia eléctrica, colocados en un ducto.

Por el ducto pasa constantemente aire a un flujo de 0.6 kg/s y su temperatura aumenta

7 °C. La tasa de pérdida de calor del aire en el ducto se estima en 300 W. Determine la

potencia del elemento calefactor de resistencia eléctrica.

Desarrollo:

Primero identificaremos que:

 El aire es un gas ideal que puede tomar la temperatura ambiental si le aplicamos calor, igualara
su temperatura al entorno sometido, lo mismo a temperaturas bajas.
 Ademas el calor especifico (Cp), del aire a temperatura es, Cp = 1,005 KJ/kg k, datos recopilados
de la Tabla A-2.
 Son insignificante los cambios de energía potencial y cinética.

Si analizamos el ejercicio:

 Podemos darnos cuenta que la casa tiene una entrada y una salida por lo cual podemos decir que
el flujo másico uno es igual al flujo másico dos será igual al flujo másico.
Podemos decir que; m°1 = m°2 = m° y lo interpretaremos como:

Ė ingreso - Ė salida = ∆ Ė sistema = 0

En la primera parte del flujo encontramos la transferencia de calor, masa y trabajo y en la

segunda parte encontramos la energía interna como potencial, cinética entre otras. Definiremos
la formula a utilizar con los datos recopilados y será:

Ė ingreso= Ė salida
Ẇ entrada+ Ẇ ventilador , entrada+ ṁh 1=Q salida+ ṁ h2
Ẇ entrada+ Ẇ ventilador , entrada=Q salida+ ṁ ( h 2−h1 ) =Q salida+Cp(T 2−T 1)

La simplificación del elemento calefactor por sustitución:

Ẇ entrada=Q salida+ ṁCp ∆ T −Ẇ ventilador , entrada

KJ kg KJ
Ẇ entada= 0,3( s )(
+ 0,6
s )(
∗ 1,005
KG ° C )
∗( 7 ° C ) −0,3 KW

Ẇ entrada=4,221 KW

La potencia del elemento calefactor de resistencia eléctrica es de 4,221 KW

  Se estrangula vapor de agua a través de una válvula bien aislada, de 8 MPa y 350 °C

hasta 2 MPa. Determine la temperatura final del vapor.

Los datos a emplear son:

P1 = 8mPa P2 = 2mPa

T1 = 350 °C T2 = x

ṁ1 ṁ 2

Conservación de masa

ṁ entrada=ṁ salida

ṁ1=ṁ2

Ley de la conservación de la energía en sistemas abiertos.

Ė entrada− Ė salida=∆ Ė sistema=0

Ė entrada= Ė salida

Q̇=0(masa de calor )

Ẇ =0( potencia)

Conservación de la energía en sistemas abiertos

ṁ1 ( h 1+ec 1+ ep 1 )=ṁ 2 ( h 2+ ec 2+ep 2 )

∆ ec ≅ 0 energía cinética ∆ ep ≅ 0 energia potencial

ṁ h1=ṁ h2

La entalpia de entrada y salida son iguales

h 1=h2

ahora como se conoce laentalpia y la presión , se utilizala tabla de propiedades , donde podremos encontrar la temp

Tabla A−6 de vapor de agua sobrecalentado de :

P=8,0 Mpa y P=2 Mpa

Entalpia en la entrada de válvula

h 1=2988,1 KJ /kg

h 2=2988,1 KJ / kg

para encontrar la temperatura dos, se utilizará la ecuación de interpolación lineal

Datos de tabla

Entalpia Temperatura
2903,3 KJ/kg 250 °C
2988,1 KJ/kg T2 (X) = 250 °C
3024,2 KJ/kg 300 °C

x−x 0
yx= y 0+ ∗( y 1− y 0)
x 1−x 0

2988,1−2988,1
T =250 ∗(300−250)
3024,2−2903,3

T =250 ° C

La temperatura final del vapor es de 250 °C

 A una tobera entra aire constantemente a 300 kPa, 200 °C y 45 m/s, y sale a 100 kPa y 180 m/s.
El área de entrada de la tobera es 110 cm2. A partir de esos datos calcule:
 a) El flujo másico por la tobera,
b) La temperatura del aire a la salida y
c) El área de salida de la tobera.

Datos:

P1 = 300 KPa P2= 100 KPa

T1 = 200 °C V 2=180 m/s

⃗

V 1=45 m/ s
⃗

A 1=110 cm2

Primero si se considera que es un sistema sin cambio de fase, por lo cual utilizaremos el aire ya que es un
gas ideal

Donde

PV =m∗R∗T ; PV =ṁ∗R∗T

Se debe calcular el área

V̇ =⃗
V 1∗A 1

110 110 11
area= = = =0,011 m2
100 10000 1000
2

Calcularemos que
 P 1∗ V˙ 1
a) m1=
˙
R∗T 1

Convertiremos grados Celsius a kelvin

200 ° C +273,15=473,15 K

m
m1=
˙
( s)
300 kPa∗ 45
∗(0,11 m ) 2

=1,0936 KG /S
kJ
(0,287 KG K )∗( 473,15 K )
⃗
V 21 ⃗
V2 ⃗
V2
V2
⃗
b) ( h 1+
2 )(− h 2+
2 )
=0 ; h 1+ 1 −h 2− 2 =0
2 2

⃗
V 21 ⃗V 22
h 2=h1+ −
2 2

h 2=¿

h 2=460,2825 KJ /kg

Utilizaremos la tabla A-17 para las interpolaciones

T 2=458,3 K

T 2=185,15° C

Temperatura de salida de aire 185,15°C

P 2∗A 2∗⃗V2
c) ṁ 2=
R∗T 2

m2∗R∗T
˙ 2
A 2= ⃗
P 2∗V 2

kg KJ
A 2=
( 1,0936 )∗( 0,287
s kg k )
∗(458,3 k )

m
( 100 kPa )∗(180 )
s
A 2=0,00799 m 2

Conversión a cm 2

A 2=0,007999∗1002

A 2=0,007999∗10000

A 2=79,91 cm2 área de salida.

 Un intercambiador de calor de tubos concéntricos con pared delgada, de contraflujo, se usa

para enfriar aceite (cp = 2,20 kJ/kg · °C) de 150 °C a 40 °C, a un caudal de 2 kg/s, utilizando agua
(cp = 4,18 kJ/kg · °C), que entra a 22 °C, a un caudal de 1,5 kg/s. Determine
(a) la tasa de transferencia de calor en el intercambiador y (b) la temperatura de salida del
agua.

Datos

1 agua fría entrada 2 agua fría salida

1,5 kg/s T°=X

T°1 22°C

3 aceite caliente entrada 4 aceite caliente salida

2 kg/s T° = 40 °C

T° = 150 °C

a) Transferencia de calor

desarrollo
Q̇ vc= ṁac (h 4−h3)

Entonces en el aceite

h 4−h3=Cp(T 4−T 3)

KJ
h 4−h3=2,2 (40 ° C−150° C)
kg ° c

KJ
h 4−h3=−242
kg

2 kg KJ
Q̇ vc= ∗(−242 )
s kg

Q̇ vc=−484 Kw transferencia de calor, por la pérdida de temperatura del aceite.

a) Temperatura salida del agua

Q̇ vc + ṁ agua ( h1−h 2 )

Q̇ vc= ṁagua ( h 2+h 1 )

Entonces para el agua

h 2−h1=Cp ( T 2−T 1 )

KJ
h 2−h1=4,18 ( T 2−22° C )
kg ° C

484 KJ / s
=(T 2−22 ° C )
kg KJ
1,5 + 4,18
s kg ° C

484
=T 2−22° C
6,27

77,19 ° C=T 2−22° C

T 2=77,19° C+ 22° C

T 2=99,19 ° C

T 2=99,2° C
La temperatura de salida del agua es 99,2 °C, aumento por la transferencia de calor del aceite.

CONCLUSIÓN
El objetivo que se busca es poder mirar el entorno y entender las energías que se desplazan, transmiten
de un cuerpo a otro ya sea de flujo másico, potencia, temperatura entre otros.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Contenidos de la semana 3 – Primera Ley de Termodinámica.

Recursos adicionales: Tablas de propiedades termodinámicas, glosario de la semana.