Termodinámica I: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 8 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Ley de los gases ideales

Ley de los gases ideales: pV = nRT
Constante de los gases: R = 8,314 J/(mol·K)
Ley combinada de los gases: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
Moles: n = m/M
Temperatura: T[K] = T[°C] + 273,15

Balance de energía

Calor sensible: Q = ṁ·c_p·ΔT
Calor latente: Q = ṁ·h_fg
Mezcla: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Agua: c_p ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Máquinas térmicas y frigoríficas

Rendimiento: η = W/Q_H = 1 − Q_C/Q_H
Rendimiento de Carnot: η_C = 1 − T_C/T_H (kelvin)
COP del frigorífico: COP_R = Q_C/W
COP de la bomba de calor: COP_HP = Q_H/W = COP_R + 1
Balance de energía: Q_H = W + Q_C

Ciclos de potencia de gas

Isentrópico, relación de volúmenes: T₂/T₁ = r^k−1
Isentrópico, relación de presiones: T₂/T₁ = r_p^(k−1)/k
Rendimiento del ciclo Otto: η = 1 − 1/r^k−1
Rendimiento del ciclo Diesel: η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k(r_c − 1))
Rendimiento del ciclo Brayton: η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k
Calor aportado: Otto: c_v(T₃ − T₂) Diesel, Brayton: c_p(T₃ − T₂)
Trabajo neto del ciclo Brayton: w = c_p[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]
Rendimientos isentrópicos: w_c = w_c,s/η_c, w_t = η_t·w_t,s
Aire frío: k = 1,4, c_p = 1,005, c_v = 0,718 kJ/(kg·K)

2Problemas de práctica

1.Ley de los gases idealesMedia

Un depósito de 20 L contiene 240 g de O₂ a 35 °C. Trátalo como un gas ideal y halla la presión P.

m = 240 gM = 32 g/molV = 20 LT = 35 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

2.Ley de los gases idealesDifícil

Halla la densidad ρ de CO₂ a 100 kPa y 60 °C, tratándolo como un gas ideal.

M = 44,01 g/molP = 100 kPaT = 60 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

3.Balance de energíaMedia

etanol caliente enfría agua en un intercambiador a contracorriente sin pérdidas de calor. Halla la temperatura de salida del agua t_out.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 140 → 90 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 15 °C

t_out = °C

4.Balance de energíaDifícil

aceite ligero caliente calienta agua en un intercambiador que pierde hacia el entorno el 15 % del calor cedido por la corriente caliente. Halla el caudal de agua ṁ_c necesario.

ṁ_h = 3 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 120 °Ct: 25 → 55 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.Máquinas térmicas y frigoríficasMedia

Una máquina térmica funciona entre un foco caliente a 550 °C y un foco frío a 30 °C. Halla el máximo rendimiento térmico posible η_max.

T_H = 550 °CT_L = 30 °C

η_max = %

6.Máquinas térmicas y frigoríficasDifícil

Una máquina térmica toma 1100 kJ de calor de un foco a 850 °C, produce 561 kJ de trabajo y cede el resto a un foco a 30 °C, por ciclo. Halla la entropía total generada S_gen por ciclo.

T_H = 850 °CT_L = 30 °CQ_H = 1100 kJW = 561 kJ

S_gen = kJ/K

7.Ciclos de potencia de gasMedia

Un ciclo Diesel ideal tiene una relación de compresión r = 16 y una relación de corte r_c = v₃/v₂ = 1,8. Al comienzo de la compresión el aire está a 320 K. Usa las hipótesis de aire estándar frío: el aire es un gas ideal con calores específicos constantes, k = 1,4, c_p = 1,005 kJ/(kg·K) y c_v = 0,718 kJ/(kg·K). Halla la temperatura T₃ al final del aporte de calor, en K.

r = 16r_c = 1,8T₁ = 320 Kk = 1,4

T₃ = K

8.Ciclos de potencia de gasDifícil

Un ciclo Brayton ideal funciona con una relación de presiones en el compresor de 12. Usa las hipótesis de aire estándar frío: el aire es un gas ideal con calores específicos constantes, k = 1,4, c_p = 1,005 kJ/(kg·K) y c_v = 0,718 kJ/(kg·K). Halla su rendimiento térmico η en porcentaje.

r_p = 12k = 1,4

η = %

3Disoluciones

1.Ley de los gases ideales

Respuesta: P = 960,7 kPa

Ley de los gases ideales: PV = nRT, con n = m/M.

Moles

n = m/M = 240/32 = 7,5 mol

T = 35 + 273,15 = 308,1 K

Presión

P = nRT/V = 7,5·8,314·308,1/0,02 = 960,7 kPa

Respuesta

P = 960,7 kPa

2.Ley de los gases ideales

Respuesta: ρ = 1,589 kg/m³

Densidad de un gas ideal: ρ = PM/(RT).

Reordena la ley de los gases

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 60 + 273,15 = 333,1 K

Densidad

ρ = 100·44,01/(8,314·333,1) = 1,589 kg/m³

Respuesta

ρ = 1,589 kg/m³

3.Balance de energía

Respuesta: t_out = 44,19 °C

Balance de energía del intercambiador: sin pérdidas, ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Calor cedido por la corriente caliente

Q = 1·2,44·(140 − 90) = 122 kW

Calor que recibe el agua

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 15 + 122/(1·4,18) = 44,19 °C

Respuesta

t_out = 44,19 °C

4.Balance de energía

Respuesta: ṁ_c = 1,281 kg/s

Balance de energía con pérdidas: calor cedido = calor absorbido + calor perdido.

Calor cedido

Q_h = 3·2,1·(150 − 120) = 189 kW

Calor que llega al agua

Q_c = (1 − 0,15)·189 = 160,7 kW

Caudal de agua

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 160,7/(4,18·30) = 1,281 kg/s

Respuesta

ṁ_c = 1,281 kg/s

5.Máquinas térmicas y frigoríficas

Respuesta: η_max = 63,17 %

Límites del segundo principio: ningún ciclo entre focos a temperaturas absolutas T_H y T_L puede superar al ciclo reversible (de Carnot): η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) y COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). La energía siempre se conserva: Q_H = W + Q_L.

Temperaturas absolutas

T_H = 550 + 273,15 = 823,1 K

T_L = 30 + 273,15 = 303,1 K

Rendimiento de Carnot

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 303,1/823,1 = 63,17 %

Respuesta

η_max = 63,17 %

6.Máquinas térmicas y frigoríficas

Respuesta: S_gen = 0,7986 kJ/K

Generación de entropía: en un ciclo completo el fluido de trabajo no tiene variación neta de entropía. El foco caliente pierde Q_H/T_H y el foco frío gana Q_L/T_L. Su suma es la entropía generada, que es nula en un ciclo reversible y positiva en cualquier ciclo real.

Calor cedido

Q_L = Q_H − W = 1100 − 561 = 539 kJ

Temperaturas absolutas

T_H = 850 + 273,15 = 1123 K

T_L = 30 + 273,15 = 303,1 K

Variaciones de entropía de los focos

ΔS_H = −1100/1123 = −0,9794 kJ/K

ΔS_L = 539/303,1 = 1,778 kJ/K

S_gen = 1,778 − 0,9794 = 0,7986 kJ/K

Respuesta

S_gen = 0,7986 kJ/K

S_gen > 0, así que la máquina es posible pero irreversible.

7.Ciclos de potencia de gas

Respuesta: T₃ = 1746 K

Ciclo Diesel (motor de encendido por compresión): 1→2 compresión isentrópica, 2→3 aporte de calor a presión constante, 3→4 expansión isentrópica, 4→1 cesión de calor a volumen constante. Con relación de compresión r = v₁/v₂ y relación de corte r_c = v₃/v₂: T₂ = T₁·r^k−1, T₃ = r_c·T₂, q_in = c_p·(T₃ − T₂) y η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k·(r_c − 1)).

Final de la compresión

T₂ = 320·16^0,4 = 970,1 K

Aporte de calor a presión constante

T₃ = r_c·T₂ = 1,8·970,1 = 1746 K

Respuesta

T₃ = 1746 K

8.Ciclos de potencia de gas

Respuesta: η = 50,83 %

Ciclo Brayton (turbina de gas): 1→2 compresión isentrópica, 2→3 aporte de calor a presión constante, 3→4 expansión isentrópica en la turbina, 4→1 cesión de calor a presión constante. Con relación de presiones r_p = P₂/P₁: T₂ = T₁·r_p^(k−1)/k, T₄ = T₃/r_p^(k−1)/k y η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k. Trabajo neto w = c_p·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]. Con rendimientos isentrópicos, el compresor necesita w_s/η_c y la turbina da η_t·w_s.

Rendimiento térmico

η = 1 − 1/12^0,2857 = 1 − 1/2,034 = 50,83%

Respuesta

η = 50,83%

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