Tarea 4 Termodinamica JOSE LUIS Silva CID PDF

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Tarea 4: TermodinámicaSegunda ley de termodinámica, entropía y exergíaJosé Luis Silva Cid Ingeniería Industrial Instituto IACC 28-09-Desarrollo Responda fundamentada mente las siguientes interrogantes: a) Describa un proceso imaginario que satisfaga la primera ley pero que viole la segunda ley de la...

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Tarea 4: Termodinámica Segunda ley de termodinámica, entropía y exergía José Luis Silva Cid Ingeniería Industrial Instituto IACC 28-09-2020

Desarrollo 1. Responda fundamentada mente las siguientes interrogantes: a) Describa un proceso imaginario que satisfaga la primera ley pero que viole la segunda ley de la termodinámica. R: Una estación elevadora alimenta con 380 KV las 24 horas del día a un conductor de acero/aluminio, el cual conduce la misma cantidad de energía eléctrica por 100 km hasta una subestación de transformación, es decir no existen perdidas calóricas en la conducción energética de la electricidad. Esto satisface el primer principio y no cumple el segundo principio debido a que siempre existen perdidas energéticas. b) ¿Cuáles son los cuatro procesos que constituyen el ciclo de Carnot? R: Este ciclo de Carnot se define como un proceso cíclico reversible, que utiliza un gas perfecto, los cuatro procesos que constituyen el ciclo de Carnot son: 

Expansión isotérmica (que transcurren sin cambio de temperatura)



Expansión adiabática. (que transcurren sin cambio de calor)



Compresión isotérmica (que transcurren sin cambio de temperatura)



Compresión adiabática (que transcurren sin cambio de calor)

c) Considere dos plantas eléctricas reales que operan con energía solar. Una planta recibe energía de un estanque solar a 80 °C, y la otra la recibe de colectores concentradores que elevan la temperatura del agua a 600 °C. ¿Cuál de estas plantas eléctricas tendrá una eficiencia más alta? Explique.

R: Con respecto a este ejemplo si tenemos una planta eléctrica que tendrá una eficiencia más alta, debido a que recibe de colectores concentradores que elevan la temperatura a 600°C, lo dice la eficiencia de Carnot, “para mejorar la eficiencia máxima posible, se debe emplear la fuente de mayor temperatura posible”.

2. Se usa una bomba de calor para mantener una casa a una temperatura constante de 23°C. La casa pierde calor hacia el aire exterior a través de las paredes y las ventanas a una tasa de 85,000 kJ/h, mientras que la energía generada dentro de la casa por las personas, las luces y los aparatos domésticos es de 4,000 kJ/h. Para un COP de 3,2, determine la potencia necesaria para la operación de bomba de calor.

Si sabemos que: Tc = 23°C Tasa de calor = 85,000 KJ/h Energía generada = 4,000 KJ/h COP = 3,2 W = ¿? Si convertimos de KJ/h a KW, sabiendo que, W= QH / COP

1KW= 3,600 KJ/h 85,000 KJ/h – 4,000KJ/h = 81,000 KJ/h Regla de 3. 1KW – 3,600KJ/h X?

- 81,000 KJ/h

X = [(81,000KJ/h) (1KW)]/3,600KJ/h X = 22,5 KW QH = 22,5 KW W = 22,5 KW / 3,2 W = 7,031 KW

3. Se usa un acondicionador de aire con refrigerante 134a como fluido de trabajo para mantener un dormitorio a 23 °C, rechazando el calor de desecho al aire exterior a 37 °C. El cuarto gana calor a través de las paredes y las ventanas a razón de 250 kJ/min, mientras que el calor generado por la computadora, la TV y las luces es de 900 W. El refrigerante entra al compresor a 400 kPa como vapor saturado a razón de 100 L/min y sale a 1.200 kPa y 70 °C. Determine: a) El COP real COPR = Q_b/W_(neto;entrada) COPr = 250KJ/min + (0,9KJ/seg × (60 seg)/(1 min) ) = 304 KJ/min Balance de energía.

m h1 + wentrada =|m h2 Wentrada=( m) (h2 – h1) (m ) = 1/v_(g a 400kPa) V Vg a 400 kPa Tabla termodinámica A-12, refrigerante 134a saturado, tabla de presión. m  = 1/〖0,051201〗_(m^3/kg) (0.1m^3/min) = 1,95 kg/min h1=hg a 400 v (g a 400kPa) kPa =255,55 KJ/kg Tabla termodinámica A-13, refrigerante 134a sobrecalentado. h2= hg a 1200kPa= 300,11 KJ/kg wentrada =(1.95 kg/min)×(300.11-255.55) KJ/kg wentrada = 86,9 KJ/min COPR = Q_b/W_(neto;entrada) = (304 KJ/min)/(86.9 kj/min) = COPR =3,5

b) El COP máximo

𝐶 𝐶 𝐶𝐶 𝐶𝐶 𝐶 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶= 1/(T_a/T_b ) -1 𝐶𝐶𝐶𝐶 𝐶𝐶 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶=1/(310/296) -1 = 21.143

c) El flujo volumétrico mínimo del refrigerante en la entrada del compresor para las mismas condiciones de entrada y salida del compresor.

COPR = Q_b/W_(neto;entrada) = W  entrada neto= (304 KJ/min)/21,14 =14.38KJ/min mmin =(14,38 KJ/min)/((300.11-255.55)KJ/min) = 0.322KJ/min V  min = m vg a 400kPa V  min =(0.322kg/min)( 〖0,051201〗_(m^2/kg))(1000L/(1m^2 ))=16,48L/min

4. Un dispositivo aislado de cilindro-émbolo contiene 5 L de agua líquida saturada a una presión constante de 150 kPa. Un calentador de resistencia eléctrica dentro del cilindro se enciende y se transfiere una energía de 2.200 kJ al agua. Determine el cambio de entropía del agua durante este proceso. Datos: V =5L P =150 kPa W= 2.200KJ

Con la presión, sacamos de la tabla termodinámica A5, agua saturada, tabla de presiones vf, hf y sf V1 = 0.001053m3/kg h1 = 467.13 KJ/kg s1 = 1.4337 KJ/kg *K Calcular la masa. m =V/v_f = (0.005m^3)/(0.001053m3/kg) =4.75 kg Balance de energía. we =m (h2-h1) Despejar h2 h2=h1 +w_e/m = 467.13 KJ/kg + 2.200KJ/4.75kg =930.33KJ/kg Con la presión 2 y la entalpía 2, calculamos primero la calidad 2 y luego la entropía. x2 =h_(2-h_f )/h_fg = (930.33-467.13)/2226 =0.2080 s2 =sf +x2sfg= 1.4337+ (0.2080)(5.7894)= 2.6378KJ/kg *K Calculamos el cambio de entropía del agua durante este proceso. Δs =m (s2 –s1) =4.75kg(2.6378-1.4337)KJ/kgK = 5.71KJ/K

5. Se expande vapor de agua de una manera estacionaria en una turbina a un flujo másico de 40.000 kg/h, entrando a 8 MPa y 500 °C y saliendo a 40 kPa como vapor saturado. Si la potencia generada por la turbina es de 8,2 MW, Determine la tasa de generación de entropía para este proceso. Suponga que el medio ambiente está a 25 °C.

Datos: P1= 8MPa T1= 500°C h1= 3399.5 KJ/kg s2= 6.7266 KJ/kg*K P2=40kPa Sat. vapor h2= 2636.1 KJ/kg s2=7.6691 KJ/kg*K Eentrada -Esalida =Δsistema= 0 E entrada= E salida m  1h1=Q  salida+W  salida + m h2 Q  salida = m (h1 – h2) - W  salida Q salida  = (40000/3600kg/s) (3399.5 - 2636.1)KJ/kg – 8200KJ/s =282.14KJ/s s  entrada- s salida+ s gen =Δs  sistema= 0 m s1 - m s2 - Q  salida/Tb,sur + s gen = 0 s gen = m s1 - m s2 - Q  salida/Tb,sur

s gen  = (40000/3600kg/s)(7.6691- 6.7266)KJ/kg*K + 282.14kW/298K s gen  = 11.41kW/K

6. Un dispositivo aislado de cilindro-émbolo contiene inicialmente 20 L de aire a 140 kPa y 27 °C. Ahora se calienta aire durante 10 minutos mediante un calentador de resistencia de 100 W colocado dentro del cilindro. La presión del aire se mantiene constante durante este proceso, y el entorno está a 27 °C y 100 kPa. Determine la exergía destruida durante este proceso. Datos: X destruida =To Sgen=To m (s2 – s1)+Q_alred/T_o X destruida = 300K 20kg (2,58810 -1.70203)kJ/kg*K) + 100kJ/300K X destruida = 7320KJ

Bibliografía IACC (2018). Segunda ley de la termodinámica y entropía. Termodinámica. Semana4....