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PROBLEMAS RESUELTOS Y PROPUESTOS DE TERMODINÁMICA BÁSICA. PARA ESTUDIANTES DE INGENIERÍA, CIENCIA Y TECNOLOGÍA. CAPÍTULO 1: MANEJO DE TABLAS DE PROPIEDADES TERMODINÁMICAS. Ing. Willians Medina. Maturín, julio de 2016. Capítulo 1. Manejo de tablas de propiedades termodinámicas. CONTENIDO. CONTENIDO.....

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PROBLEMAS RESUELTOS Y PROPUESTOS DE

TERMODINÁMICA BÁSICA. PARA ESTUDIANTES DE INGENIERÍA, CIENCIA Y TECNOLOGÍA. CAPÍTULO 1: MANEJO DE TABLAS DE PROPIEDADES TERMODINÁMICAS.

Ing. Willians Medina.

Maturín, julio de 2016.

Capítulo 1.

Manejo de tablas de propiedades termodinámicas.

CONTENIDO. CONTENIDO........................................................................................................................ 2 PRESENTACIÓN. ............................................................................................................... 4 ACERCA DEL AUTOR. ..................................................................................................... 5 1.1.- PRELIMINARES. .......................................................................................................... 7 1.2.- TABLAS DE PROPIEDADES. ................................................................................... 21 Entalpía, una propiedad de combinación. ......................................................................... 21 Estados de líquido saturado y de vapor saturado. ............................................................. 22 Mezcla saturada de líquido – vapor................................................................................... 22 Vapor sobrecalentado. ....................................................................................................... 24 Líquido comprimido.......................................................................................................... 24 Problema: Caracterizar el estado de una sustancia............................................................ 26 Caso I: Dado el estado y la temperatura (T). ................................................................... 26 Ejemplo 1.1. Ejemplo 2.1 del Çengel. Cuarta Edición. Página 78. ............................... 28 Ejemplo 1.2. Ejemplo 2.4 del Çengel. Cuarta Edición. Página 80. ............................... 28 Caso II: Dado el estado y la presión (P)............................................................................ 28 Ejemplo 1.3. Problema 2.46 del Çengel. Cuarta Edición. Página 113. ......................... 29 Ejemplo 1.4. Problema 2.44 del Çengel. Cuarta Edición. Página 113. ......................... 29 Ejemplo 1.5. Ejemplo 2.2 del Çengel. Cuarta Edición. Página 78. ............................... 29 Ejemplo 1.6. Ejemplo 2.3 del Çengel. Cuarta Edición. Página 78. ............................... 30 Caso III: Dada la presión (P) y la temperatura (T). ........................................................ 30 Procedimiento 1. ................................................................................................................. 30 Procedimiento 2. ................................................................................................................. 31 Ejemplo 1.7. Problema 3.16 b) y e) del Van Wylen. Segunda Edición. Página 82. ...... 32 Ejemplo 1.8. Ejemplo 2.6 del Çengel. Cuarta Edición. Página 82. ............................... 32 Ejemplo 1.9. Ejemplo 2.8 del Çengel. Cuarta Edición. Página 83. ............................... 32 Ejemplo 1.10. Ejemplo 2.15 del Çengel. Cuarta Edición. Página 105. ......................... 32 Caso IV. Dada la temperatura (T) y el volumen específico (v). ...................................... 33 Ejemplo 1.11. Problema 6.25 del Smith – Van Ness. Séptima Edición. Página 243. ... 35 Caso V. Dada la presión (P) y el volumen específico (v). ................................................ 35 Ejemplo 1.12. Problema 3.18 a) y c) del Van Wylen. Segunda Edición. Página 82. .... 37 Ejemplo 1.13. Ejemplo 2.7 del Çengel. Cuarta Edición. Página 82. ............................. 37 Ejemplo 1.14. Ejemplo 2.5 del Çengel. Cuarta Edición. Página 81. ............................. 37 Ejemplo 1.15. Ejemplo 3.3 del Van Wylen. Segunda Edición. Página 78. ................... 37 Ejemplo 1.16. ................................................................................................................. 38 Ejemplo 1.17. ................................................................................................................. 38 Caso VI. Dada la temperatura (T) y la calidad (x). ......................................................... 38 Ejemplo 1.18. ................................................................................................................. 39 Caso VII. Dadas dos propiedades específicas. ................................................................. 39 Ejemplo 1.19. Problema 3.18 a) del Van Wylen. Segunda Edición. Página 82. ........... 40 Ejemplo 1.20. Problema 3.18 c) del Van Wylen. Segunda Edición. Página 82. ........... 40 Relaciones importantes. ..................................................................................................... 41 Termodinámica. Ing. Willians Medina.

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Manejo de tablas de propiedades termodinámicas.

Ejercicios propuestos. .................................................................................................... 43

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PRESENTACIÓN. La presente es una Guía de Ejercicios de Termodinámica Básica para estudiantes de Ingeniería, dictada en las carreras de Ingeniería Ambiental, Industrial, Mecánica, de Petróleo y Química de reconocidas Universidades en Venezuela. El material presentado no es en modo alguno original, excepto la solución de algunos ejemplos, la inclusión de las respuestas a ejercicios seleccionados y su compilación en atención al contenido programático de la asignatura y al orden de dificultad de los mismos. Dicha guía ha sido elaborada tomando como fuente las guías de ejercicios y exámenes publicados en su oportunidad por Profesores de Termodinámica en los núcleos de Monagas y Anzoátegui de la Universidad de Oriente, además de la bibliografía especializada en la materia y citada al final de la obra, por lo que el crédito y responsabilidad del autor sólo consiste en la organización y presentación en forma integrada de información existente en la literatura. Finalmente, se agradece infinitamente la dispensa y atención a esta modesta contribución en la enseñanza y aprendizaje de la Termodinámica, así como las sugerencias que tengan a bien para mejorar este trabajo, las cuales pueden hacer llegar directamente a través de los teléfonos: +58-424-9744352 ó +58-426-2276504, PIN: 58B3CF2D ó 569A409B, correo electrónico: [email protected] ó [email protected], twitter: @medinawj ó personalmente en la sección de Matemáticas, Universidad de Oriente, Núcleo de Monagas.

Ing. Willians Medina.

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ACERCA DEL AUTOR.

Willians Medina (Barcelona, 1972) es Ingeniero Químico (1997), egresado de la Universidad de Oriente, Núcleo de Anzoátegui, Venezuela. Fue becado por LAGOVEN S.A (Filial de Petróleos de Venezuela, PDVSA) para cursar sus estudios universitarios y durante el transcurso de su carrera universitaria se desempeñó como preparador docente en el área de Laboratorio de Química I y Termodinámica Aplicada de la carrera de Ingeniería Química de la referida Universidad. En 1996 ingresó a la Industria Petrolera Venezolana, (PDVSA), desempeñando el cargo de Ingeniero de Procesos en la Planta de Producción de Orimulsión, en Morichal, al sur del Estado Monagas hasta el año 1998, momento en el cual comenzó su desempeño en la misma corporación como Ingeniero de Manejo de Gas en el Complejo Operativo Jusepín, al norte del Estado Monagas hasta finales del año 2000. Durante el año 2001 formó parte del Plan Integral de Adiestramiento (PIA) en San Tomé, Estado Anzoátegui, donde recibió cursos de preparación integral en las áreas de producción y manejo de petróleo y gas, pasando finalmente a la Gerencia de Manejo de Gas del Norte del Estado Monagas, en la localidad de Punta de Mata, siendo responsable del tratamiento químico anticorrosivo de gasoductos de la zona de producción de petróleo y gas hasta finales del año 2002. Desde el año 2006, forma parte del Staff de Profesores de Matemáticas, adscrito al Departamento de Ciencias, Unidad de Cursos Básicos del Núcleo de Monagas de la Universidad de Oriente (UDO), cargo en el cual ha dictado asignaturas tales como Matemáticas I (Cálculo Diferencial), Matemáticas II (Cálculo Integral), Matemáticas III (Cálculo Vectorial), Matemáticas IV (Ecuaciones diferenciales), Métodos Numéricos, Termodinámica, Fenómenos de Transporte y Estadística para estudiantes de Ingeniería. Desde el año 2010 ha sido autor de video tutoriales para la enseñanza de la matemática en el área de límites, derivadas y ecuaciones diferenciales a través del portal Termodinámica. Ing. Willians Medina.

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http://www.tareasplus.com/ y también es autor de compendios de ejercicios propuestos, ejercicios resueltos y formularios en el área de Matemáticas, Física, Química, Mecánica Vectorial, Métodos Numéricos, Termodinámica, Estadística, Diseño de Experimentos, Fenómenos de Transporte, Mecánica de los Fluidos e Ingeniería Económica. En sus trabajos escritos el Ing. Medina ha dejado en evidencia su capacidad de integración de los conocimientos en el área de la enseñanza en Ingeniería, así como el análisis riguroso y detallado en el planteamiento y la solución de ejercicios en cada asignatura que aborda, siendo considerado un profesional prolífico en la generación de material académico útil a los estudiantes de Ingeniería y reconocido en lo personal y a través de sus escritos como una referencia importante de consulta por estudiantes y profesores. En la actualidad (2016) ha emprendido el proyecto de difusión de sus obras escritas en las áreas antes citadas a través de internet de manera pública y gratuita (versión de sólo lectura en línea y con privilegios limitados) en la página http://www.slideshare.net/asesoracademico/, en la cual cuenta con un promedio diario de 3500 visitas, y en forma privada (versión completa) mediante la corporación kdp.amazon.com/ y www.scribd.com/. Es miembro del Colegio de Ingenieros de Venezuela.

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Capítulo 1.

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1.1.- PRELIMINARES. Definición de términos básicos. Termodinámica. La palabra Termodinámica procede de las palabras del griego therme (calor) y dynamics (fuerza). Aunque varios aspectos de lo que ahora se conoce como Termodinámica han sido objeto de interés desde la antigüedad, el estudio formal de la Termodinámica empezó en los comienzos del siglo XIX a partir de las consideraciones sobre la potencia motriz del calor: la capacidad de los cuerpos calientes para producir trabajo. Hoy su alcance es mucho mayor, teniendo que ver, en general, con la energía y con las relaciones entre las propiedades de la materia. La termodinámica es tanto una rama de la Físico como una ciencia de la ingeniería. El científico está normalmente interesado en alcanzar una comprensión de los fundamentos del comportamiento físico y químico de la materia en reposo y en cantidades determinadas y utiliza los principios de la Termodinámica para relacionar sus propiedades. Los ingenieros están interesados, en general, en estudiar los sistemas y cómo éstos interaccionan con su entorno; y para facilitar esta tarea extienden el objeto de la Termodinámica al estudio de sistemas a través de los cuales fluye materia. Materia. Se llama materia a cualquier tipo de entidad que es parte del universo observable, tiene energía asociada, es capaz de interaccionar, es decir, es medible y tiene una localización espaciotemporal compatible con las leyes de la naturaleza. Masa. Es una medida de la cantidad de materia que posee un cuerpo. La unidad utilizada para medir la masa en el Sistema Internacional de Unidades es el kilogramo (kg). Es una magnitud escalar. Sistema. En termodinámica se utiliza el término sistema para identificar el objeto de nuestro análisis. Un sistema es cualquier cosa que deseemos estudiar, algo tan simple como un cuerpo libre o tan complejo como una refinería petroquímica completa. Termodinámica. Ing. Willians Medina.

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Un sistema termodinámico es un dispositivo o combinación de dispositivos que contienen una cantidad de materia que se estudia. Para definirlo en forma más precisa se escoge un volumen de control de modo que contenga la materia y los dispositivos dentro de una superficie de control. Todo lo externo al volumen de control se considera como entorno o alrededores y la separación está dada por la superficie de control. La superficie puede ser abierta o cerrada a los flujos de masa y puede haber flujos de energía a través de ella, en términos de transferencia de calor y trabajo. Los límites pueden ser móviles o estacionarios. En el caso de una superficie de control que está cerrada al flujo de masa, de manera que no puede escapar ni entrar masa al volumen de control, ésta se conoce como masa de control y contiene la misma cantidad de materia en todo momento. Entorno (o alrededores). Cualquier cosa externa al sistema se considera una parte del entorno del sistema. El sistema se distingue de su entorno, por un límite específico, la frontera, que puede estar en reposo o en movimiento. Sistema abierto. Un sistema abierto es un sistema físico (o químico) que interactúa con otros agentes químicos, por lo tanto está conectado correccionalmente con factores externos a él. Sistema cerrado. Un sistema cerrado se define como una cantidad determinada de materia. Dado que un sistema cerrado contiene siempre la misma materia, esto implica que no hay transferencia de masa a través de su frontera Sistema aislado. Un sistema aislado es aquél que no es afectado en ninguna manera por los alrededores. Esto significa que ninguna masa, calor o trabajo cruzan los límites del sistema. Un sistema aislado es un tipo especial de sistema cerrado que no interacciona en ninguna forma con el entorno. Fase. Una fase se define como una cantidad de materia que es totalmente homogénea. El término fase se refiere a la cantidad de materia que es homogénea en toda su extensión, tanto en la Termodinámica. Ing. Willians Medina.

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Capítulo 1.

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composición química como en la estructura física. Homogeneidad en la estructura física significa que la materia es toda sólida, o toda líquida, o toda vapor (o, equivalentemente, toda gas). Un sistema puede contener una o más fases. Cuando hay más de una fase, éstas están separadas por los límites de las fases. Sustancia pura. Es aquella que es uniforme e invariable en su composición química. Una sustancia pura puede existir en más de una fase, pero su composición química debe ser la misma en cada fase. Una mezcla de gases puede considerarse una sustancia pura suponiendo que se mantiene como gas y no reacciona químicamente. Propiedad. Una propiedad se puede definir como cualquier cantidad que depende del estado de la sustancia y que es independiente de la trayectoria (es decir, de su pasado) por la cual la sustancia llegó al estado que se considera. Con frecuencia, no sólo se hará referencia a las propiedades de una sustancia sino a las propiedades de un sistema. Al hacerlo, necesariamente se indica que el valor de la propiedad tiene importancia para todo el sistema y esto significa equilibrio. Las propiedades son características macroscópicas de un sistema tales como masa, volumen, energía, presión y temperatura, a las que pueden asignarse valores numéricos en un instante dado sin un conocimiento previo de la historia del sistema. La termodinámica también trata con magnitudes que no son propiedades, tales como el flujo de masa y la transferencia de energía por trabajo o calor. Propiedad extensiva. Una propiedad se llama extensiva si su valor para un sistema es la suma de los valores correspondientes a las partes en que se subdivida. El valor de una propiedad extensiva varía directamente con la masa. La masa y el volumen total son ejemplos de propiedades intensivas. Las propiedades extensivas por unidad de masa, como el volumen específico, son propiedades intensivas.

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Capítulo 1.

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Si una cantidad de materia en un estado determinado se divide en dos partes iguales, cada parte tendrá el mismo valor de propiedades intensivas que el original y la mitad del valor de las propiedades extensivas. Propiedad intensiva. Una propiedad intensiva es independiente de la masa. La presión, temperatura, el volumen específico y la densidad son ejemplos de propiedades intensivas. Las propiedades intensivas no son aditivas. Sus valores son independientes del tamaño o extensión de un sistema y pueden variar de un sitio a otro dentro del sistema en un instante dado. Estado. La palabra estado expresa la condición de un sistema definida por el conjunto de sus propiedades. Puesto que normalmente existen relaciones entre dichas propiedades, el estado puede especificarse, a menudo, suministrando los valores de un subconjunto de las mismas. Todas las demás propiedades pueden determinarse a partir de ese subconjunto. El estado se puede identificar o describir por ciertas propiedades macroscópicas observables; algunas bien conocidas son temperatura, presión y densidad. Cada una de las propiedades de una sustancia en un estado determinado tiene sólo un valor definido y estas propiedades siempre tienen el mismo valor para un estado determinado, sin importar cómo llegó la sustancia a ese estado. El estado se especifica por las propiedades. Siempre que cambian una o más propiedades de un sistema, se dice que ha ocurrido un cambio de estado. Sin embargo, si un sistema muestra los mismos valores de sus propiedades en dos instantes diferentes, estará en el mismo estado en dichos instantes. Diremos que un sistema está en estado estacionario si ninguna de sus propiedades cambia con el tiempo. Equilibrio. Equilibrio térmico: Si la sustancia está en equilibrio térmico, la temperatura será la misma en todo el sistema.

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Equilibrio mecánico: El equilibrio mecánico se relaciona con la presión. Si un sistema está en equilibrio mecánico, no hay tendencia para que la presión en algún punto cambie con el tiempo en tanto el sistema esté aislado del entorno. Equilibrio termodinámico: Cuando al considerarse todos los posibles cambios de estado de un sistema se encuentra en equilibrio, se dice que el sistema está en equilibrio termodinámico. Proceso. Cuando cualquiera de las propiedades de un sistema cambia, su estado cambia y se dice que el sistema ha sufrido un proceso. Un proceso es una transformación de un estado a otro. Proceso ideal o proceso en cuasiequilibrio: Un proceso en cuasiequilibrio es uno en el cual la desviación del equilibrio termodinámico es infinitesimal y todos los estados por los que el sistema pasa durante un proceso en cuasiequilibrio se pueden considerar estados de equilibrio. Para procesos en desequilibrio, el análisis se limita a la descripción del sistema antes de que ocurra el proceso y después de que se completa y se resta...