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
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.
1Fórmulas y métodos
Balance de energía
- Calor sensible
- Q = ṁ·cp·ΔT
- Calor latente
- Q = ṁ·hfg
- Mezcla
- ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
- Agua
- cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)
Máquinas térmicas y frigoríficas
- Rendimiento
- η = W/QH = 1 − QC/QH
- Rendimiento de Carnot
- ηC = 1 − TC/TH (kelvin)
- COP del frigorífico
- COPR = QC/W
- COP de la bomba de calor
- COPHP = QH/W = COPR + 1
- Balance de energía
- QH = W + QC
Ciclos de potencia de gas
- Isentrópico, relación de volúmenes
- T2/T1 = rk−1
- Isentrópico, relación de presiones
- T2/T1 = rp(k−1)/k
- Rendimiento del ciclo Otto
- η = 1 − 1/rk−1
- Rendimiento del ciclo Diesel
- η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k(rc − 1))
- Rendimiento del ciclo Brayton
- η = 1 − 1/rp(k−1)/k
- Calor aportado
- Otto: cv(T3 − T2) Diesel, Brayton: cp(T3 − T2)
- Trabajo neto del ciclo Brayton
- w = cp[(T3 − T4) − (T2 − T1)]
- Rendimientos isentrópicos
- wc = wc,s/ηc, wt = ηt·wt,s
- Aire frío
- k = 1,4, cp = 1,005, cv = 0,718 kJ/(kg·K)
2Problemas de práctica
1.Ley de los gases idealesMedia
Un depósito de 10 L contiene 450 g de CH₄ a 35 °C. Trátalo como un gas ideal y halla la presión P.
m = 450 gM = 16,04 g/molV = 10 LT = 35 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
2.Ley de los gases idealesDifícil
Halla la densidad ρ de CH₄ a 200 kPa y 120 °C, tratándolo como un gas ideal.
M = 16,04 g/molP = 200 kPaT = 120 °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 tout.
ṁh = 2 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 80 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
mezcla de glicol caliente calienta agua en un intercambiador que pierde hacia el entorno el 10 % del calor cedido por la corriente caliente. Halla el caudal de agua ṁc necesario.
ṁh = 0,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 120 → 80 °Ct: 30 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 10 %
ṁc = kg/s
5.Máquinas térmicas y frigoríficasMedia
Una máquina térmica recibe calor de un foco a 500 °C y cede calor al ambiente a 40 °C. Su rendimiento térmico real es del 30 %. Halla su rendimiento exergético (de segundo principio) ηII, el cociente entre el rendimiento real y el de Carnot.
TH = 500 °CTL = 40 °Cη = 30%
ηII = %
6.Máquinas térmicas y frigoríficasDifícil
Un frigorífico mantiene su compartimento a -25 °C en una cocina a 28 °C, extrayendo calor del compartimento a razón de 2,5 kW. Halla la potencia mínima de accionamiento Ẇmin.
TH = 28 °CTL = -25 °CQ̇L = 2,5 kW
Ẇmin = kW
7.Ciclos de potencia de gasMedia
Un ciclo Diesel ideal tiene una relación de compresión r = 20 y una relación de corte rc = v₃/v₂ = 1,5. Al comienzo de la compresión el aire está a 310 K. Usa las hipótesis de aire estándar frío: el aire es un gas ideal con calores específicos constantes, k = 1,4, cp = 1,005 kJ/(kg·K) y cv = 0,718 kJ/(kg·K). Halla el calor aportado qin por kilogramo de aire, en kJ/kg.
r = 20rc = 1,5T1 = 310 Kk = 1,4cp = 1,005 kJ/(kg·K)
qin = kJ/kg
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, cp = 1,005 kJ/(kg·K) y cv = 0,718 kJ/(kg·K). Halla su rendimiento térmico η en porcentaje.
rp = 12k = 1,4
η = %
3Disoluciones
1.Ley de los gases ideales
Respuesta: P = 7188 kPa
Ley de los gases ideales: PV = nRT, con n = m/M.
Moles
n = m/M = 450/16,04 = 28,05 mol
T = 35 + 273,15 = 308,1 K
Presión
P = nRT/V = 28,05·8,314·308,1/0,01 = 7188 kPa
Respuesta
P = 7188 kPa
2.Ley de los gases ideales
Respuesta: ρ = 0,9814 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 = 120 + 273,15 = 393,1 K
Densidad
ρ = 200·16,04/(8,314·393,1) = 0,9814 kg/m³
Respuesta
ρ = 0,9814 kg/m³
3.Balance de energía
Respuesta: tout = 49,19 °C
Balance de energía del intercambiador: sin pérdidas, ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Calor cedido por la corriente caliente
Q = 2·2,44·(130 − 80) = 244 kW
Calor que recibe el agua
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 244/(2·4,18) = 49,19 °C
Respuesta
tout = 49,19 °C
4.Balance de energía
Respuesta: ṁc = 0,5167 kg/s
Balance de energía con pérdidas: calor cedido = calor absorbido + calor perdido.
Calor cedido
Qh = 0,5·3,6·(120 − 80) = 72 kW
Calor que llega al agua
Qc = (1 − 0,1)·72 = 64,8 kW
Caudal de agua
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 64,8/(4,18·30) = 0,5167 kg/s
Respuesta
ṁc = 0,5167 kg/s
5.Máquinas térmicas y frigoríficas
Respuesta: ηII = 50,42 %
Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.
Temperaturas absolutas
TH = 500 + 273,15 = 773,1 K
TL = 40 + 273,15 = 313,1 K
Rendimiento de Carnot
ηCarnot = 1 − 313,1/773,1 = 59,5 %
Rendimiento de segundo principio
ηII = η/ηCarnot = 30/59,5 = 50,42 %
Respuesta
ηII = 50,42 %
6.Máquinas térmicas y frigoríficas
Respuesta: Ẇmin = 0,534 kW
Límites del segundo principio: ningún ciclo entre focos a temperaturas absolutas TH y TL puede superar al ciclo reversible (de Carnot): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) y COPHP,max = TH/(TH − TL). La energía siempre se conserva: QH = W + QL.
Temperaturas absolutas
TH = 28 + 273,15 = 301,1 K
TL = -25 + 273,15 = 248,1 K
Mejor COP posible
COPR,max = TL/(TH − TL) = 248,1/(301,1 − 248,1) = 4,682
Potencia mínima
El menor trabajo lo necesita una máquina reversible, que tiene el mayor COP.
Ẇmin = Q̇L/COP = 2,5/4,682 = 0,534 kW
Respuesta
Ẇmin = 0,534 kW
7.Ciclos de potencia de gas
Respuesta: qin = 516,3 kJ/kg
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 rc = v₃/v₂: T₂ = T₁·rk−1, T₃ = rc·T₂, qin = cp·(T₃ − T₂) y η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k·(rc − 1)).
Temperaturas
T2 = 310·200,4 = 1027 K
T3 = 1,5·1027 = 1541 K
Calor aportado a presión constante
qin = 1,005·(1541 − 1027) = 516,3 kJ/kg
Respuesta
qin = 516,3 kJ/kg
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 rp = P₂/P₁: T₂ = T₁·rp(k−1)/k, T₄ = T₃/rp(k−1)/k y η = 1 − 1/rp(k−1)/k. Trabajo neto w = cp·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]. Con rendimientos isentrópicos, el compresor necesita ws/ηc y la turbina da ηt·ws.
Rendimiento térmico
η = 1 − 1/120,2857 = 1 − 1/2,034 = 50,83%
Respuesta
η = 50,83%
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