Gases y cambio de fase
Índice
Gases
- Considere un tanque de volumen V=50,0 l que contiene 16,9 kg de argón cuando la temperatura es de 15,0∘C.
- Determine la cantidad de sustancia de argón contenida en el tanque y su volumen molar.
- Calcule la presión del argón como si fuese un gas ideal.
- Van der Waals
(p+aˉv2)(ˉv−b)=RT
aAr=1,630×10−2 Pam6mol2
bAr=3,201×10−5 m3mol - Redlich - Kwong
(p+a√Tˉv(ˉv+b))(ˉv−b)=RT
aAr=0,2029 Pam6√Kmol2
bAr=2,219×10−5 m3mol
Gases ideales
- Un tanque contiene un volumen de 0,100 m3 de gas helio (He) a 150 atm
- 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.
- Si el volumen específico de los globos es de v=1,50 m3/kg, obtenga la masa total de helio.
- Teniendo en cuenta la pregunta anterior, calcule el volumen molar ˉv de helio en el tanque.
- En un tanque de 4,7 l se tienen 0,90 kg de oxígeno molecular (O2) a 0,0∘C. Durante un incendio la temperatura del tanque se eleva a 500∘C. Determine
- La cantidad de sustancia de oxígeno molecular.
- El volumen molar del oxígeno molecular.
- La presión antes del incendio.
- La presión durante el incendio.
- 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 65,0∘F a 80,0∘F,
- ¿Qué proceso es este?
- Obtenga el cambio de volumen que experimenta el aire inicialmente contenido en la sala a 65,0∘F.
- Calcule la masa del aire que escapará de la sala.
- A 25,0 m bajo la superficie del mar (ρmar=1025 kg/m3), donde la temperatura es de 5,00∘C, 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 20,0∘C ¿Cuál es el volumen de la burbuja justo antes de que se rompa en la superficie?
- 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.
- Esboce los mismos procesos en un diagrama pT y en un diagrama Tˉv
- Obtenga todas las coordenadas termodinámicas de los estados a, b, c y d.
- Calcule el volumen en el estado a, si el sistema consiste en 4,00 kmol de hidrógeno molecular H2.
- Encuentre la masa del hidrógeno molecular H2.
Titulación
- 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
- p=500 kPa, T=190,0∘C.
- p=5,00 MPa, T=263,9∘C.
- p=9,30 bar, T=180,0∘C.
- p=18,3 MPa, T=120,0∘C.
- p=1,50 kPa, T=−17,3∘C.
- p=75,0 psi, T=307,6∘F.
- p=1,08×104 psf, T=392,4∘F.
- p=350 psi, T=405,0∘F.
- p=98,4 psi, T=340,0∘F.
- p=15,0 psi, T=−10,5∘F.
Indicación: Busque los datos del cambio de fase del agua en las tablas de la sección Propiedades del agua saturada.
- Determine el título de las mezclas bifásicas líquido-vapor de:
- H2O a 200∘C con un volumen específico de 9,50×10−2 m3/kg.
- 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 1,1,1,2−Tetrafluoroetano (CH2FCF3).
- El volumen específico de líquido y vapor saturados del nitrógeno a 100 K son, vf=1,452×10−3 m3/kg y vg=31,31×10−3 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. - En un depósito cuyo volumen es 0,21 m3 se almacena amoníaco. Si se halla como líquido saturado a 20∘C, determine
- La masa de amoníaco.
- La presión del amoníaco.
Indicación: El amoníaco es un gas incoloro de olor penetrante y desagradable (NH3).
- Una mezcla bifásica líquido vapor de H2O tiene una temperatura de 500∘F y un título de 75%. Si la mezcla ocupa un volumen de 1,80 ft3. Determine las masas de líquido y vapor saturados.
- 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
patm≡1atm≡101325Pa=2116,2lb/ft2=14,696 psi. - Temperatura del cero absoluto
T0K≡0 K≡0 R≡−273,15∘C≡−459,67∘F. - Constante Universal de los gases
R=8,314 Pa⋅m3mol⋅K=1545 ft⋅lbflbmol⋅R - 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 - 1ft≡30,48cm≡12in.
- 1lbm=453,6g.
- 1lbf≡1lbm×g=4,45N.
- 1slug≡1lbfft/s2=32,2lbm.
- 1 bar≡105 Pa=2088,5 lb/ft2=14,504 psi.
-
- n=423 mol, ˉv=1,18×10−4 m3/mol.
- p=20,3 MPa.
- p=26,7 MPa , Z=1,32.
- p=24,3 MPa , Z=1,20.
-
- 884 globos.
- m=8,33 kg.
- ˉv=4,80×10−5 m3/mol.
-
- nO2=28 mol.
- ˉvO2=1,7×10−4 m3/mol=0,17 m3/kmol.
- p0,0∘C=14 MPa.
- p500∘C=38 MPa.
-
- Isobárico a patm.
- ΔV=1,0×102 ft3.
- Δm=7,4 lb=2,3×10−1 slug.
- V=3,67 cm3.
-
- Diagrama pT
Diagrama Tˉv
- 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 - Va=10,0 m3.
- mH2=8,06 kg.
- Diagrama pT
-
- Vapor sobrecalentado.
- Mezcla bifásica.
- Vapor sobrecalentado.
- Líquido comprimido.
- Sólido comprimido.
- Mezcla bifásica.
- Vapor sobrecalentado.
- Líquido comprimido.
- Vapor sobrecalentado.
- Sólido comprimido.
-
- XH2O=0,744.
- XR134a=0,70.
- XN2=0,71.
-
- mNH3=128 kg.
- P=857,62 kPa.
- mg=2,6 lbm=0,082 slug, mf=0,88 lbm=0,027 slug.
- v=0,025 m3kg.
Respuestas
Gases
Gases ideales
Titulación
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
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