Processing math: 100%
Ir al contenido principal

Termodinámica: Gases y cambio de fase

Gases y cambio de fase

Gases

  1. Considere un tanque de volumen V=50,0 l que contiene 16,9 kg de argón cuando la temperatura es de 15,0C.
    1. Determine la cantidad de sustancia de argón contenida en el tanque y su volumen molar.
    2. Calcule la presión del argón como si fuese un gas ideal.
    Obtenga la presión utilizando las siguientes ecuaciones de estado. En cada caso ¿Cuál es el valor del factor de compresibilidad?
    1. Van der Waals (p+aˉv2)(ˉvb)=RT aAr=1,630×102 Pam6mol2
      bAr=3,201×105 m3mol
    2. Redlich - Kwong (p+aTˉv(ˉv+b))(ˉvb)=RT aAr=0,2029 Pam6Kmol2
      bAr=2,219×105 m3mol

Gases ideales

  1. Un tanque contiene un volumen de 0,100 m3 de gas helio (He) a 150 atm
    1. Si el tanque se vacía por completo, calcule cuántos globos puede inflar el tanque si cada globo lleno es una esfera de 0,300 m de diámetro a una presión de 1,20 atm.
    2. Si el volumen específico de los globos es de v=1,50 m3/kg, obtenga la masa total de helio.
    3. Teniendo en cuenta la pregunta anterior, calcule el volumen molar ˉv de helio en el tanque.
  2. En un tanque de 4,7 l se tienen 0,90 kg de oxígeno molecular (O2) a 0,0C. Durante un incendio la temperatura del tanque se eleva a 500C. Determine
    1. La cantidad de sustancia de oxígeno molecular.
    2. El volumen molar del oxígeno molecular.
    3. La presión antes del incendio.
    4. La presión durante el incendio.
  3. Una sala de 24,0 ft de largo, 18,0 ft de ancho y 8,00 ft de alto contiene aire cuya masa molar promedio es de 28,97 lbm/lbmol. Si la temperatura del cuarto se eleva de 65,0F a 80,0F,
    1. ¿Qué proceso es este?
    2. Obtenga el cambio de volumen que experimenta el aire inicialmente contenido en la sala a 65,0F.
    3. Calcule la masa del aire que escapará de la sala.
  4. A 25,0 m bajo la superficie del mar (ρmar=1025 kg/m3), donde la temperatura es de 5,00C, un buzo exhala una pequeña burbuja de aire que tiene un volumen de 1,00 cm3. Si la temperatura en la superficie del mar es igual a 20,0C ¿Cuál es el volumen de la burbuja justo antes de que se rompa en la superficie?
  5. En el diagrama de Clapeyron (pˉv) se representan cinco procesos ab, bc, ad, dc y ac, correspondientes a un gas ideal. Nótese que la línea morada es una isoterma.
    Vector B
    1. Esboce los mismos procesos en un diagrama pT y en un diagrama Tˉv
    Si pa=1,00×106 Pa, pc=4,00×105 Pa, ˉva=2,50 m3/kmol.
    1. Obtenga todas las coordenadas termodinámicas de los estados a, b, c y d.
    2. Calcule el volumen en el estado a, si el sistema consiste en 4,00 kmol de hidrógeno molecular H2.
    3. Encuentre la masa del hidrógeno molecular H2.

    Titulación

    1. Determine la fase o fases constituido por H2O, localice los estados sobre diagramas p v/s v y T v/s v en las siguientes condiciones
      1. p=500 kPa, T=190,0C.
      2. p=5,00 MPa, T=263,9C.
      3. p=9,30 bar, T=180,0C.
      4. p=18,3 MPa, T=120,0C.
      5. p=1,50 kPa, T=17,3C.
      6. p=75,0 psi, T=307,6F.
      7. p=1,08×104 psf, T=392,4F.
      8. p=350 psi, T=405,0F.
      9. p=98,4 psi, T=340,0F.
      10. p=15,0 psi, T=10,5F.

      Indicación: Busque los datos del cambio de fase del agua en las tablas de la sección Propiedades del agua saturada.

    2. Determine el título de las mezclas bifásicas líquido-vapor de:
      1. H2O a 200C con un volumen específico de 9,50×102 m3/kg.
      2. Refrigerante 134a a 30,0 psi, con un volumen específico de 1,20 ft3/lbm.

      Indicación 1: Revise los datos de la sección Constantes, datos y factores de conversión.

      Indicación 2: El refrigerante 134a es una sutancia química ampliamente usado en la industria. Se trata de 1,1,1,2Tetrafluoroetano (CH2FCF3).

    3. El volumen específico de líquido y vapor saturados del nitrógeno a 100 K son, vf=1,452×103 m3/kg y vg=31,31×103 m3/kg.
      Determine el título de 22 kg de nitrógeno de una mezcla bifásica líquido-vapor a 100 K en un depósito cuyo volumen es 0,50 m3.
    4. En un depósito cuyo volumen es 0,21 m3 se almacena amoníaco. Si se halla como líquido saturado a 20C, determine
      1. La masa de amoníaco.
      2. La presión del amoníaco.

      Indicación: El amoníaco es un gas incoloro de olor penetrante y desagradable (NH3).

    5. Una mezcla bifásica líquido vapor de H2O tiene una temperatura de 500F y un título de 75%. Si la mezcla ocupa un volumen de 1,80 ft3. Determine las masas de líquido y vapor saturados.
    6. Una mezcla bifásica líquido vapor de cierta sustancia se encuentra a una presión de 150 bar y ocupa un volumen de 0,20 m3. Si las masas de líquido saturado y vapor saturado presente en la mezcla son 3,8 kg y 4,2 kg, respectivamente, determine el volumen específico de la mezcla.

    Constantes, datos y factores de conversión

    • Aceleración de gravedad estándar
      g=9,81m/s2=32,2ft/s2.
    • Presión atmosférica estándar
      patm1atm101325Pa=2116,2lb/ft2=14,696 psi.
    • Temperatura del cero absoluto
      T0K0 K0 R273,15C459,67F.
    • Constante Universal de los gases
      R=8,314 Pam3molK=1545 ftlbflbmolR
    • Masa atómica del argón Ar
      MAr=39,948 g/mol.
    • Masa atómica del helio He
      MHe=4,00 g/mol.
    • Masa atómica del oxígeno O
      MO=16,00 g.
    • Masa molar promedio del aire
      Maire=28,97 lbm/lbmol.
    • Masa atómica del hidrógeno H
      MH=1,008 g/mol.
    • Propiedades líquido-vapor saturado de refrigerante 134a
      Tsat psat vf vg
      F psi ft3/lbm ft3/lbm
      15,37 30,0 0,01209 1,5492
    • Propiedades líquido-vapor saturado de amoníaco
      Tsat psat vf vg
      C bar m3/kg m3/kg
      20,0 8,5762 0,0016386 0,1492
    • 1ft30,48cm12in.
    • 1lbm=453,6g.
    • 1lbf1lbm×g=4,45N.
    • 1slug1lbfft/s2=32,2lbm.
    • 1 bar105 Pa=2088,5 lb/ft2=14,504 psi.

    • Respuestas

      Gases

        1. n=423 mol, ˉv=1,18×104 m3/mol.
        2. p=20,3 MPa.
        3. p=26,7 MPa , Z=1,32.
        4. p=24,3 MPa , Z=1,20.

      Gases ideales

        1. 884 globos.
        2. m=8,33 kg.
        3. ˉv=4,80×105 m3/mol.
        1. nO2=28 mol.
        2. ˉvO2=1,7×104 m3/mol=0,17 m3/kmol.
        3. p0,0C=14 MPa.
        4. p500C=38 MPa.
        1. Isobárico a patm.
        2. ΔV=1,0×102 ft3.
        3. Δm=7,4 lb=2,3×101 slug.
      1. V=3,67 cm3.
        1. Diagrama pT
          Vector B

          Diagrama Tˉv

          Vector B

        2. Coordenadas termodinámicas
          Estado p ˉv T
          MPa m3/kmol K
          a 1,00 2,50 301
          b 1,00 6,25 752
          c 0,400 6,25 301
          d 0,400 2,50 120
        3. Va=10,0 m3.
        4. mH2=8,06 kg.

      Titulación

        1. Vapor sobrecalentado.
        2. Mezcla bifásica.
        3. Vapor sobrecalentado.
        4. Líquido comprimido.
        5. Sólido comprimido.
        6. Mezcla bifásica.
        7. Vapor sobrecalentado.
        8. Líquido comprimido.
        9. Vapor sobrecalentado.
        10. Sólido comprimido.
        1. XH2O=0,744.
        2. XR134a=0,70.
      1. XN2=0,71.
        1. mNH3=128 kg.
        2. P=857,62 kPa.
      2. mg=2,6 lbm=0,082 slug, mf=0,88 lbm=0,027 slug.
      3. v=0,025 m3kg.

      Propiedades del agua saturada

      Tabla de temperaturas SI del agua saturada

      T C psat kPa vf m3kg vg m3kg
      0,01 0,6117 0,001000 206,00
      5 0,8725 0,001000 147,03
      10 1,2281 0,001000 106,32
      15 1,7057 0,001001 77,885
      20 2,3392 0,001002 57,762
      25 3,1698 0,001003 43,340
      30 4,2469 0,001004 32,879
      35 5,6291 0,001006 25,205
      40 7,3851 0,001008 19,515
      45 9,5953 0,001010 15,251
      50 12,352 0,001012 12,026
      55 15,763 0,001015 9,5639
      60 19,947 0,001017 7,6670
      65 25,043 0,001020 6,1935
      70 31,202 0,001023 5,0396
      75 38,597 0,001026 4,1291
      80 47,416 0,001029 3,4053
      85 57,868 0,001032 2,8261
      90 70,183 0,001036 2,3593
      95 84,609 0,001040 1,9808
      100 101,42 0,001043 1,6720
      105 120,90 0,001047 1,4186
      110 143,38 0,001052 1,2094
      115 169,18 0,001056 1,0360
      120 198,67 0,001060 0,89133
      125 232,23 0,001065 0,77012
      130 270,28 0,001070 0,66808
      135 313,22 0,001075 0,58179
      140 361,53 0,001080 0,50850
      145 415,68 0,001085 0,44600
      150 476,16 0,001091 0,39248
      155 543,49 0,001096 0,34648
      160 618,23 0,001102 0,30680
      165 700,93 0,001108 0,27244
      170 792,18 0,001114 0,24260
      175 892,60 0,001121 0,21659
      180 1002,8 0,001127 0,19384
      185 1123,5 0,001134 0,17390
      190 1255,2 0,001141 0,15636
      195 1398,8 0,001149 0,14089
      200 1554,9 0,001157 0,12721
      205 1724,3 0,001164 0,11508
      210 1907,7 0,001173 0,10429
      215 2105,9 0,001181 0,094680
      220 2319,6 0,001190 0,086094
      225 2549,7 0,001199 0,078405
      230 2797,1 0,001209 0,071505
      235 3062,6 0,001219 0,065300
      240 3347,0 0,001229 0,059707
      245 3651,2 0,001240 0,054656
      250 3976,2 0,001252 0,050085
      255 4322,9 0,001263 0,045941
      260 4692,3 0,001276 0,042175
      265 5085,3 0,001289 0,038748
      270 5503,0 0,001303 0,035622
      275 5946,4 0,001317 0,032767
      280 6416,6 0,001333 0,030153
      285 6914,6 0,001349 0,027756
      290 7441,8 0,001366 0,025554
      295 7999,0 0,001384 0,023528
      300 8587,9 0,001404 0,021659
      305 9209,4 0,001425 0,019932
      310 9865,0 0,001447 0,018333
      315 10556 0,001472 0,016849
      320 11284 0,001499 0,015470
      325 12051 0,001528 0,014183
      330 12858 0,001560 0,012979
      335 13707 0,001597 0,011848
      340 14601 0,001638 0,010783
      345 15541 0,001685 0,009772
      350 16529 0,001741 0,008806
      355 17570 0,001808 0,007872
      360 18666 0,001895 0,006950
      365 19822 0,002015 0,006009
      370 21044 0,002217 0,004953
      373,95 22064 0,003106 0,003106

      Tabla de presiones SI del agua saturada

      p kPa Tsat C vf m3kg vg m3kg
      1,0 6,97 0,001000 129,19
      1,5 13,02 0,001001 87,964
      2,0 17,50 0,001001 66,990
      2,5 21,08 0,001002 54,242
      3,0 24,08 0,001003 45,654
      4,0 28,96 0,001004 34,791
      5,0 32,87 0,001005 28,185
      7,5 40,29 0,001008 19,233
      10 45,81 0,001010 14,670
      15 53,97 0,001014 10,020
      20 60,06 0,001017 7,6481
      25 64,96 0,001020 6,2034
      30 69,09 0,001022 5,2287
      40 75,86 0,001026 3,9933
      50 81,32 0,001030 3,2403
      75 91,76 0,001037 2,2172
      100 99,61 0,001043 1,6941
      101,325 99,97 0,001043 1,6734
      125 105,97 0,001048 1,3750
      150 111,35 0,001053 1,1594
      175 116,04 0,001057 1,0037
      200 120,21 0,001061 0,88578
      225 123,97 0,001064 0,79329
      250 127,41 0,001067 0,71873
      275 130,58 0,001070 0,65732
      300 133,52 0,001073 0,60582
      325 136,27 0,001076 0,56199
      350 138,86 0,001079 0,52422
      375 141,30 0,001081 0,49133
      400 143,61 0,001084 0,46242
      450 147,90 0,001088 0,41392
      500 151,83 0,001093 0,37483
      550 155,46 0,001097 0,34261
      600 158,83 0,001101 0,31560
      650 161,98 0,001104 0,29260
      700 164,95 0,001108 0,27278
      750 167,75 0,001111 0,25552
      800 170,41 0,001115 0,24035
      850 172,94 0,001118 0,22690
      900 175,35 0,001121 0,21489
      950 177,66 0,001124 0,20411
      1000 179,88 0,001127 0,19436
      1100 184,06 0,001133 0,17745
      1200 187,96 0,001138 0,16326
      1300 191,60 0,001144 0,15119
      1400 195,04 0,001149 0,14078
      1500 198,29 0,001154 0,13171
      1750 205,72 0,001166 0,11344
      2000 212,38 0,001177 0,099587
      2250 218,41 0,001187 0,088717
      2500 223,95 0,001197 0,079952
      3000 233,85 0,001217 0,066667
      3500 242,56 0,001235 0,057061
      4000 250,35 0,001252 0,049779
      5000 263,94 0,001286 0,039448
      6000 275,59 0,001319 0,032449
      7000 285,83 0,001352 0,027378
      8000 295,01 0,001384 0,023525
      9000 303,35 0,001418 0,020489
      10000 311,00 0,001452 0,018028
      11000 318,08 0,001488 0,015988
      12000 324,68 0,001526 0,014264
      13000 330,85 0,001566 0,012781
      14000 336,67 0,001610 0,011487
      15000 342,16 0,001657 0,010341
      16000 347,36 0,001710 0,009312
      17000 352,29 0,001770 0,008374
      18000 356,99 0,001840 0,007504
      19000 361,47 0,001926 0,006677
      20000 365,75 0,002038 0,005862
      21000 369,83 0,002207 0,004994
      22000 373,71 0,002703 0,003644
      22064 373,95 0,003106 0,003106

      Tabla de temperaturas USCS del agua saturada

      T F psat psia vf ft3lbm vg ft3lbm
      32,018 0,08871 0,01602 3299,9
      35 0,09998 0,01602 2945,7
      40 0,12173 0,01602 2443,6
      45 0,14756 0,01602 2035,8
      50 0,17812 0,01602 1703,1
      55 0,21413 0,01603 1430,4
      60 0,25638 0,01604 1206,1
      65 0,30578 0,01604 1020,8
      70 0,36334 0,01605 867,18
      75 0,43016 0,01606 739,27
      80 0,50745 0,01607 632,41
      85 0,59659 0,01609 542,80
      90 0,69904 0,01610 467,40
      95 0,81643 0,01612 403,74
      100 0,95052 0,01613 349,83
      110 1,2767 0,01617 264,96
      120 1,6951 0,01620 202,94
      130 2,2260 0,01625 157,09
      140 2,8931 0,01629 122,81
      150 3,7234 0,01634 96,929
      160 4,7474 0,01639 77,185
      170 5,9999 0,01645 61,982
      180 7,5197 0,01651 50,172
      190 9,3497 0,01657 40,920
      200 11,538 0,01663 33,613
      210 14,136 0,01670 27,798
      212 14,709 0,01671 26,782
      220 17,201 0,01677 23,136
      230 20,795 0,01684 19,374
      240 24,985 0,01692 16,316
      250 29,844 0,01700 13,816
      260 35,447 0,01708 11,760
      270 41,877 0,01717 10,059
      280 49,222 0,01726 8,6439
      290 57,573 0,01735 7,4607
      300 67,028 0,01745 6,4663
      310 77,691 0,01755 5,6266
      320 89,667 0,01765 4,9144
      330 103,07 0,01776 4,3076
      340 118,02 0,01787 3,7885
      350 134,63 0,01799 3,3425
      360 153,03 0,01811 2,9580
      370 173,36 0,01823 2,6252
      380 195,74 0,01836 2,3361
      390 220,33 0,01850 2,0842
      400 247,26 0,01864 1,8639
      410 276,69 0,01878 1,6706
      420 308,76 0,01894 1,5006
      430 343,64 0,01910 1,3505
      440 381,49 0,01926 1,2178
      450 422,47 0,01944 1,0999
      460 466,75 0,01962 0,99510
      470 514,52 0,01981 0,90158
      480 565,96 0,02001 0,81794
      490 621,24 0,02022 0,74296
      500 680,56 0,02044 0,67558
      510 744,11 0,02067 0,61489
      520 812,11 0,02092 0,56009
      530 884,74 0,02118 0,51051
      540 962,24 0,02146 0,46553
      550 1044,8 0,02176 0,42465
      560 1132,7 0,02207 0,38740
      570 1226,2 0,02242 0,35339
      580 1325,5 0,02279 0,32225
      590 1430,8 0,02319 0,29367
      600 1542,5 0,02362 0,26737
      610 1660,9 0,02411 0,24309
      620 1786,2 0,02464 0,22061
      630 1918,9 0,02524 0,19972
      640 2059,3 0,02593 0,18019
      650 2207,8 0,02673 0,16184
      660 2364,9 0,02767 0,14444
      670 2531,2 0,02884 0,12774
      680 2707,3 0,03035 0,11134
      690 2894,1 0,03255 0,09451
      700 3093,0 0,03670 0,07482
      705,1 3200,1 0,04975 0,04975

      Tabla de presiones USCS del agua saturada

      p psi Tsat F vf ft3lbm vg ft3lbm
      1 101,69 0,01614 333,49
      2 126,02 0,01623 173,71
      3 141,41 0,01630 118,70
      4 152,91 0,01636 90,629
      5 162,18 0,01641 73,525
      6 170,00 0,01645 61,982
      8 182,81 0,01652 47,347
      10 193,16 0,01659 38,425
      14,696 211,95 0,01671 26,805
      15 212,99 0,01672 26,297
      20 227,92 0,01683 20,093
      25 240,03 0,01692 16,307
      30 250,30 0,01700 13,749
      35 259,25 0,01708 11,901
      40 267,22 0,01715 10,501
      45 274,41 0,01721 9,4028
      50 280,99 0,01727 8,5175
      55 287,05 0,01732 7,7882
      60 292,69 0,01738 7,1766
      65 297,95 0,01743 6,6560
      70 302,91 0,01748 6,2075
      75 307,59 0,01752 5,8167
      80 312,02 0,01757 5,4733
      85 316,24 0,01761 5,1689
      90 320,26 0,01765 4,8972
      95 324,11 0,01770 4,6532
      100 327,81 0,01774 4,4327
      110 334,77 0,01781 4,0410
      120 341,25 0,01789 3,7289
      130 347,32 0,01796 3,4557
      140 353,03 0,01802 3,2202
      150 358,42 0,01809 3,0150
      160 363,54 0,01815 2,8347
      170 368,41 0,01821 2,6749
      180 373,07 0,01827 2,5322
      190 377,52 0,01833 2,4040
      200 381,80 0,01839 2,2882
      250 400,97 0,01865 1,8440
      300 417,35 0,01890 1,5435
      350 431,74 0,01912 1,3263
      400 444,62 0,01934 1,1617
      450 456,31 0,01955 1,0324
      500 467,04 0,01975 0,92819
      550 476,97 0,01995 0,84228
      600 486,24 0,02014 0,77020
      700 503,13 0,02051 0,65589
      800 518,27 0,02087 0,56920
      900 532,02 0,02124 0,50107
      1000 544,65 0,02159 0,44604
      1200 567,26 0,02232 0,36241
      1400 587,14 0,02307 0,30161
      1600 604,93 0,02386 0,25516
      1800 621,07 0,02470 0,21831
      2000 635,85 0,02563 0,18815
      2500 668,17 0,02860 0,13076
      3000 695,41 0,03433 0,08460
      3200,1 705,10 0,04975 0,04975

Comentarios

Entradas populares

Termodinámica: Sistemas de unidades, volumen, densidad y presión

Con esta guía comenzamos el estudio de la termodinámica introduciendo el Sistema (de unidades) tradicional de los EEUU. abreviado como USCS (las denominadas «unidades inglesas»), revisando los conceptos de volumen y densidad, e introduciendo la presión. Deberás transformar entre distintos sistemas de unidades, resolver algunos problemas sencillos de mécanica en el USCS, calcular volumenes, densidades y presiones. El manómetro es el instrumento que se utiliza para medir la presión. En las imágenes se muestran varios manómetros graduados en varias de las muchas unidades de medida que existen para la presión, entre otras, la unidad SI «pascal» Pa, la unidad USCS «pound(-force) per square inch» psi (libra(-fuerza) por pulgada cuadrada, en inglés), la unidad CGS «bar» bar y las unidades técnicas «kilogramo-fuerza por centímetro cuadrado» kgf/cm2 y «Meter Wassersäule» mWS (metro columna de agua en alemán). Créditos: leapingllamas...

Guía 01: Sistemas de unidades, propiedades de los fluidos y viscosidad

Esta es la primera guía de Mecánica de Fluidos. Aquí te presentamos algunos ejercicios de unidades de medidas del «Sistema Inglés» y del SI, algunos ejercicios sobre densidad y peso específico, y algunos problemas de viscosidad. La miel es un fluido con alta viscosidad, de ahí su dificultad para fluir. Creditos: Coralpceb bajo licencia CC BY-NC-SA 2.0 . Índice Sistemas de unidades Propiedades de los fluidos Viscosidad Constantes, datos y factores de conversión Respuestas Sistemas de unidades Exprese las cantidades en las unidades que se indican. 14,34ft2 en in2, mi2 y m2. 28,0oz en lbm, slug y g. 22,49lbf en N y dyn. 1,000atm en Pa, bar, psi y psf. 1,29kg/m3 en lbm/ft3 y slug/ft3. 1475,2ftlbf/s en W y erg/s. Transfo...

Guía 09: Ecuación de Bernoulli con bombas y turbinas

A continuación utilizarás la ecuación de Bernoulli generalizada para considerar bombas y turbinas. Deberás relacionar las alturas, rapideces, presiones de un fluido (líquido) en movimiento con las potencias suministradas y retiradas por las bombas y turbinas. Las bombas y turbinas son dispositivos indispensables para la vida moderna. Por un lado, las bombas se utilizan para proporcionar energía a un fluido para que alcance mayor altura, mayor velocidad o aumente su presión. Por otro lado, las turbinas extraen energía del fluido para convertirla en energía mecánica que después puede ser transformada en otras formas como la electricidad. La imagen muestra el reemplazo de algunas de las turbinas Pelton de la Central de generación hidroléctrica Walchensee (Baviera, Alemania) que es capaz de producir 124MW de potencia eléctrica. Creditos: Voith Siemens Hydro Power bajo licencia CC BY-SA 3.0 . Índice Bombas y turbinas Constantes, datos y factores de conversi...