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

¿Qué volumen V ocupan 140 g de O₂ a 450 kPa y 75 °C? Trátalo como un gas ideal.

m = 140 gM = 32 g/molP = 450 kPaT = 75 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

2.Ley de los gases idealesDifícil

Halla la densidad ρ de O₂ a 750 kPa y 180 °C, tratándolo como un gas ideal.

M = 32 g/molP = 750 kPaT = 180 °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: 180 → 60 °Cṁ_c = 1,5 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 20 °C

t_out = °C

4.Balance de energíaDifícil

etanol caliente calienta agua en un intercambiador que pierde hacia el entorno el 5 % del calor cedido por la corriente caliente. Halla el caudal de agua ṁ_c necesario.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 90 °Ct: 25 → 50 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Máquinas térmicas y frigoríficasMedia

Una máquina térmica funciona entre un foco caliente a 275 °C y un foco frío a 10 °C. Halla el máximo rendimiento térmico posible η_max.

T_H = 275 °CT_L = 10 °C

η_max = %

6.Máquinas térmicas y frigoríficasDifícil

Un frigorífico mantiene su compartimento a 4 °C en una cocina a 28 °C, extrayendo calor del compartimento a razón de 3 kW. Halla la potencia mínima de accionamiento Ẇ_min.

T_H = 28 °CT_L = 4 °CQ̇_L = 3 kW

Ẇ_min = kW

7.Ciclos de potencia de gasMedia

Un ciclo Diesel ideal tiene una relación de compresión r = 22 y una relación de corte r_c = v₃/v₂ = 2. 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 = 22r_c = 2k = 1,4

η = %

8.Ciclos de potencia de gasDifícil

Una central de turbina de gas funciona según un ciclo Brayton con una relación de presiones en el compresor de 18. El aire entra en el compresor a 310 K y en la turbina a 1400 K. Las dos máquinas son isentrópicas. 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 el trabajo neto w_net por kilogramo de aire, en kJ/kg.

r_p = 18T₁ = 310 KT₃ = 1400 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3Disoluciones

1.Ley de los gases ideales

Respuesta: V = 28,14 L

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

Moles

n = 140/32 = 4,375 mol

T = 75 + 273,15 = 348,1 K

Volumen

V = nRT/P = 4,375·8,314·348,1/450 = 28,14 L

Respuesta

V = 28,14 L

2.Ley de los gases ideales

Respuesta: ρ = 6,37 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 = 180 + 273,15 = 453,1 K

Densidad

ρ = 750·32/(8,314·453,1) = 6,37 kg/m³

Respuesta

ρ = 6,37 kg/m³

3.Balance de energía

Respuesta: t_out = 66,7 °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·(180 − 60) = 292,8 kW

Calor que recibe el agua

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 292,8/(1,5·4,18) = 66,7 °C

Respuesta

t_out = 66,7 °C

4.Balance de energía

Respuesta: ṁ_c = 1,331 kg/s

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

Calor cedido

Q_h = 1·2,44·(150 − 90) = 146,4 kW

Calor que llega al agua

Q_c = (1 − 0,05)·146,4 = 139,1 kW

Caudal de agua

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 139,1/(4,18·25) = 1,331 kg/s

Respuesta

ṁ_c = 1,331 kg/s

5.Máquinas térmicas y frigoríficas

Respuesta: η_max = 48,34 %

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 = 275 + 273,15 = 548,1 K

T_L = 10 + 273,15 = 283,1 K

Rendimiento de Carnot

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 283,1/548,1 = 48,34 %

Respuesta

η_max = 48,34 %

6.Máquinas térmicas y frigoríficas

Respuesta: Ẇ_min = 0,2598 kW

Temperaturas absolutas

T_H = 28 + 273,15 = 301,1 K

T_L = 4 + 273,15 = 277,1 K

Mejor COP posible

COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) = 277,1/(301,1 − 277,1) = 11,55

Potencia mínima

El menor trabajo lo necesita una máquina reversible, que tiene el mayor COP.

Ẇ_min = Q̇_L/COP = 3/11,55 = 0,2598 kW

Respuesta

Ẇ_min = 0,2598 kW

7.Ciclos de potencia de gas

Respuesta: η = 66 %

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)).

Término de corte

(2^1,4 − 1)/(1,4·(2 − 1)) = 1,171

Rendimiento térmico

η = 1 − 0,2904·1,171 = 66%

Respuesta

η = 66%

8.Ciclos de potencia de gas

Respuesta: w_net = 391 kJ/kg

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.

Temperaturas isentrópicas

T₂ = 310·18^0,2857 = 708 K

T₄ = 1400/18^0,2857 = 613 K

Trabajo del compresor y de la turbina

w_c = 1,005·(708 − 310) = 400 kJ/kg

w_t = 1,005·(1400 − 613) = 790,9 kJ/kg

Trabajo neto

w_net = 790,9 − 400 = 391 kJ/kg

Respuesta

w_net = 391 kJ/kg

Relación de trabajo de retroceso: w_c/w_t = 50,57%.

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