TEMA 3: TRABAJO Y CALOR TERMODINÁMICA.

TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
FRANCISCO DE MIRANDA
AREA DE TECNOLOGÍA
UNIDAD CURRICULAR TERMODINÁMICA
DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA
Prof, Ing. Frank Bello Msc, Prof, Ing. Indira Ortiz Esp , Prof. Ing. Johanna Krijnen.
Prof. Ing. Koralys Goitía.
http://www.termodinamicabasica.blogspot.com/
TERMODINÁMICA.
1
TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
TEMA N° 3: TRABAJO Y CALOR
1. Trabajo
1.1. Definición General De Trabajo
1.2. Definición De Trabajo Termodinámico
1.3. Unidades De Trabajo
1.4. Potencia. Unidades
1.5. Tipos De Trabajo
1.5.1. Eléctrico
1.5.2. Mecánico
1.5.2.1. De Expansión/Compresión o PdV.
1.5.2.2. De Resorte
2. Calor
2.1. Definición Termodinámica De Calor
2.2. Convención de Signo
2.3. Unidades de Calor
2.4. Mecanismos de Transferencia de calor.
3. Comparación de Calor y Trabajo
TERMODINÁMICA.
2
TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
1. TRABAJO
1
1.1. DEFINICIÓN GENERAL DE TRABAJO
Es la transferencia de energía asociada con una fuerza que actúa a lo largo de una
distancia.
Si se tiene un cuerpo con cierta cantidad de masa (m) y se quiere desplazar desde
una posición 1 hasta una posición 2, se aplica una fuerza F a lo largo de un
desplazamiento, se dice entonces que se ha realizado una cierta cantidad de trabajo.
m
m
1
dx
2
uff,
.
dW = F * dx
Donde:
F= es la fuerza aplicada en la misma dirección del desplazamiento.
dx= indica la variación del desplazamiento
dw= Cantidad de trabajo aplicado
W =∫
Fu
er
X2
X1
Fdx
[N.m=J]
X1
distancia
X2
Trabajo=área
Al integrar queda:
TERMODINÁMICA.
3
TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
Distancia que
se desplaza el
objeto
W=F x
Trabajo realizado
por el hombre
Fuerza aplicada
Cuando la fuerza aplicada es constante
Donde no hay movimiento, no hay trabajo
1.2. DEFINICIÓN DE TRABAJO TERMODINÁMICO
Se dice que un sistema efectúa trabajo cuando el único efecto externo al sistema
pudiese ser el levantamiento de un peso.
Es de suma importancia destacar que el trabajo se define como una interacción
entre el sistema y sus alrededores. A un sistema no se le puede asignar un trabajo (no es
algo que tenga un sistema) y por lo tanto no es una propiedad termodinámica.
El trabajo también se define como una interacción de energía la cual no es causada
por una diferencia de temperatura.
1.2.1.
CONVENCIÓN DE SIGNO
La gran mayoría de los autores utilizan el siguiente convencionalismo:
™ Trabajo realizado por un sistema se considera positivo (+).
™ Trabajo realizado sobre el sistema se considera negativo (-).
W (-)
W (+)
SISTEMA
Q (+)
Q (-)
1.3. UNIDADES
TERMODINÁMICA.
4
TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
Como el trabajo se define como la fuerza que actúa a lo largo de un desplazamiento
en la misma dirección de la fuerza. Sus unidades son de fuerza por desplazamiento. Las
unidades mas comunes son:
Sistema internacional: Joule = Newton x metro
Sistema Inglés: Librafuerza x pie (también se usa con frecuencia la unidad “Btu”)
Otras unidades:
dina x cm. = 1 ergio
Electrón voltio (ev): Trabajo requerido para mover un electrón a través de una
diferencia de un voltio.
1 ev = 1,6 x 10-12 ergio = 1,18 x 10-19 lbfpie
1.4. POTENCIA
Rapidez con la cual se realiza un trabajo
•
W=
δW
dt
Unidades
1hp = 76,04
1Kw = 102
kgf × m
lbf × pie
= 33000
min
s
kgf × m
lbf × pie
= 44240
min
s
1hp = 0,746kw
1.5. TIPOS DE TRABAJO
1.5.1. ELÉCTRICO
Cuando se mueve una carga en un
circuito eléctrico por efecto de las
fuerzas electromotrices.
δW = V × δQc
V: diferencia de potencial o voltaje
eléctrico entre dos puntos del campo
eléctrico. 1 Voltio = 1 Joule/1 Columbio.
TERMODINÁMICA.
5
TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
δQc = Cantidad de carga eléctrica, que atraviesa la frontera durante un período de
tiempo determinado.
I=
dQc C arg a
1Columbio
=
= 1A =
dt
Tiempo
1Segundo
dQc = Idt
∂W = (V × I ) × dt
Welecl = ∫ (V × I ) × dt ; si la
V y I son constantes en el tiempo Welecl = V × I (t 2 − t1 )
La potencia eléctrica
•
W elect. =
•
W elec =
δWelct.
dt
=
V × I × dt
=V ×I
dt
Joule
1Columbio Joule
×
=
= Watt
Columbio
1S
S
1.5.2. TRABAJO MECÁNICO
W=FxS
Si la fuerza no es constante
W = ∫ 1 F × ds
2
El trabajo que efectúa un sistema contra la fuerza externa opuesta al movimiento es
positivo y el trabajo hecho sobre un sistema por una fuerza externa que actúa en la
dirección del movimiento es negativo.
1.5.2.1. TRABAJO DE EXPANSIÓN Y COMPRESIÓN
El Trabajo de frontera móvil para un proceso cuasiequilibrio,
es un proceso durante el cual el sistema permanece en equilibrio
A
dx
todo el tiempo.
δW = Fext × dx
PA
TERMODINÁMICA.
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TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
Evaluando un gas encerrado en un cilindro émbolo sometido a un proceso de compresión.
Fext : Fuerza externa que actúa en la interfaz comprimiendo el gas.
dx: Desplazamiento causado por las comprensión
Este desplazamiento se puede escribir en función de un volumen diferencial y el
área del émbolo.
dv = A × dx ⇒ dx =
dV
= P.dV
Aemb
δW = Fext ×
1
dv
A
W2 =
∫
2
1
Pdv
Para calcular el trabajo total requiere conocer la relación entre P y V durante el
proceso.
El área diferencial representa el trabajo realizado por el gas cuando el volumen varía
una cantidad dv. El área completa representa el trabajo total realizado por el gas cuando
este se expande de 1 a 2.
P
δw
P1
P2
V1
dV
V2
™ TIPOS DE PROCESOS DE EXPANSIÓN Y COMPRESIÓN
a. PROCESO ISOMÉTRICO (gas Ideal)
Proceso Isocórico o isométrico el volumen permanece constante y por lo tanto no se
realiza trabajo.
P
1 W2 =
∫
2
1
PdV = 0
P1
1
P2
2
V
V1 = V2
TERMODINÁMICA.
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TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
b. PROCESO ISOBÁRICO
Proceso en el cual la presión permanece constante.
1
W2 =
∫
2
1
P
PdV = PdV
1
2
V
V1
V2
c. PROCESO ISOTÉRMICO
En muchos procesos, especialmente con sustancias gaseosas, se presenta una
relación entre la presión y el volumen, de la forma PV=C. Para gases perfectos es a
temperatura constante (isotérmico).
P× V = C
1
w 2 = ∫ PdV =
P
⎛V ⎞
C
dV = Ln⎜⎜ 2 ⎟⎟ × C
V
⎝ V1 ⎠
P1
1
P.V=C
P1
C = P2 × V2 = P1V1
2
Para gases ideales
P × V = m RT
1
⎛V
W2 = m RTLn⎜⎜ 2
⎝ V1
⎞
⎟⎟
⎠
Por la Ley de Boyle – Charles
V2 P1
=
V1 P2
d. PROCESO POLITRÓPICO
Se caracteriza por la existencia de intercambio de calor entre el sistema y los
alrededores.
Durante los procesos de expansión y compresión politrópicos de gases reales, la
presión y el volumen están relacionados, mediante la siguiente ecuación.
P × Vn = C
n y C son constantes.
2
n
n
P1 × V1 = P2 × V2 = C
2
2
2
W = ∫ Pdv = ∫ C × V − n dv = C ∫ V − n dV = C
1
1
1
− n +1
V
− n +1
1
TERMODINÁMICA.
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TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
⎡ V2 −n +1
− n +1
⎤
⎡ V21−n − V11−n ⎤ P2.V2 − P1.V1
V1
=
C
⎥
⎢
⎥=
1− n
1− n
⎢⎣ − n + 1 − n + 1⎥⎦
⎥⎦
⎢⎣
W= C ⎢
−
Si el gas es ideal
P × V = mRT
W=
mR (T2 − T1 )
1− n
n≠1
e. PROCESO ADIABÁTICO ( gas ideal)
Proceso en cual no existe transferencia de calor entre el sistema y los alrededores.
En el caso de un gas ideal:
P ×V K = C
1
W2 =
P2 × V2 − P1 × V1
1− K
K= Coeficiente adiabático de compresión.
K = Cp|Cv
Cp = Capacidad calorífica a Presión constante.
Cv= Capacidad calorífica a volumen constante.
Gases monoatómicos
Gases diatómicos
Gases poliatómicos
K=1,67
K=1,4
K=1,3
1.5.2.2. TRABAJO DE RESORTE
Wresorte = F × dx
Para un resorte lineal el desplazamiento es
proporcional a la fuerza aplicada.
F = krest × x
TERMODINÁMICA.
9
TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
k rest : la constante del resorte , unidades Nw|m y X:
desplazamiento, se mide a partir de la posición de equilibrio
del resorte.
X=0
F=0
Wresorte = K ∫
2
1
(
k
2
2
xdx = rest X 2 − X 1
2
)
P2
RESORTE
P1
2
X 2 : Desplazamiento final.
X 1 : Desplazamiento inicial.
El signo del trabajo del resorte se asigna considerando si el
sistema se expande o comprime.
V1
V2
2. CALOR.
2.1. Definición Termodinámica De Calor
Es la energía que se transmite a través del límite de un sistema, en virtud de una
diferencia de temperatura que existe con los alrededores.
Cuando existe una diferencia de temperatura entre el sistema y su entorno, hay
transferencia de energía como producto de los choques individuales de las moléculas del
sistema con las de su entorno.
Si la frontera del sistema es rígida, la suma de estos trabajos microscópicos no
pueden expresarse como una fuerza medida por un desplazamiento (trabajo). La suma de
estos trabajos microscópico es esencialmente lo que denominamos calor. Calor es trabajo
térmico a nivel microscópico.
El calor no se almacena, la energía si. Tanto el calor como el trabajo son
manifestaciones de energía en transito, por tal motivo solo la podemos observar a través
de las fronteras de los sistemas.
2.2. CONVENCIÓN DE SIGNO
La mayoría de los autores utilizan el siguiente convencionalismo:
Positivo (+), transmisión de calor a un sistema.
Negativo (-), transmisión de calor desde un sistema (calor retirado del sistema).
2.3.
UNIDADES DE CALOR
Kilocaloría, es la cantidad de calor transmitida para producir un cambio de
temperatura de un Celsius (1 °C) a un kilogramo (1 kgm) de agua.
BTU, Unidad Térmica Británica, la cantidad de energía requerida para incrementar la
temperatura de una libramasa de agua (1 lbm) de agua un grado Fahrenheit (1°F).
El calor total se denota con la letra Q; Ejemplo: 1Btu, 2 kcal
TERMODINÁMICA.
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TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
El calor transferido por unidad de masa se denota con la letra q; Ejemplo: 1BTU/lbm,
1kcal/kgm
•
El transferido por unidad de tiempo se denota con la letra, Q
También se utiliza cualquier otra unidad de energía como el Joule, ergios, Lbf*pie, etc
2.4. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
™ Conducción: es la transferencia de energía debida a las interacciones entre las
partículas en el interior de un material.
•
Q cond = -kt x A x dt|dx
Ley de Fourier
™ Convección: es la transferencia de energía entre la superficie de un sólido y un líquido
o un gas debido al movimiento de un fluido.
•
Q conv = h A (Ts – Tf)
™ Radiación: es la transferencia de energía mediante radiación electromagnética. La
energía transferida por radiación puede emitirse desde una superficie o desde el
interior de fluidos transparentes y sólidos.
•
Q Rad = E γ A (Ts4 – Talrd4).
3. Comparación de Calor y trabajo
Al igual que el calor, el trabajo es una interacción de energía entre un sistema y sus
alrededores. La energía es capaz de cruzar la frontera de un sistema cerrado en forma de
calor o de trabajo. En consecuencia, si la energía que cruza la frontera de un sistema
cerrado no es calor, debe ser trabajo. El calor es fácil de reconocer: la fuerza que lo
posibilita es una diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores. Entonces
es posible afirmar, con cierta simplicidad, que una interacción de energía no provocada
por una diferencia de temperatura entre un sistema y sus alrededores, es trabajo. De
manera más específica, el trabajo es la transferencia de energía asociada con una fuerza
que actúa a lo largo de una distancia. La elevación de un émbolo, un eje que gira y un
alambre eléctrico que cruzan las fronteras del sistema son casos asociados con
interacciones de trabajo.
El trabajo es también una forma de energía como el calor y, por lo tanto, tiene unidades
de energía como kJ. El trabajo efectuado durante un proceso entre los estados 1 y 2 se
denomina W12, o aún más simple W.
Tanto el calor como el trabajo son cantidades direccionales y, en consecuencia, la
descripción completa de su interacción requiere de la especificación tanto de su magnitud
como de su dirección. Una forma de hacer esto es adoptando un signo convencional. La
TERMODINÁMICA.
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TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
forma convencional, generalmente aceptada, de signo formal para la interacción del calor
y del trabajo es como sigue: la transferencia de calor hacia un sistema y el trabajo hecho
por un sistema son positivos; la transferencia de calor desde un sistema y el trabajo hecho
sobre un sistema son negativos.
Cuando la dirección de la interacción de un calor o trabajo no se conoce es posible
suponer, simplemente, una dirección para la interacción (usando el subíndice entrada o
salida) y darle una solución. Un resultado positivo indica que la dirección supuesta es
correcta. Por otro lado, un resultado negativo indica que la relación de la interacción es
opuesta a la dirección considerada. Es como suponer una dirección para una fuerza
desconocida al resolver un problema de estática e invertir la dirección cuando se obtiene
un resultado negativo para la fuerza.
Una cantidad que se transfiere a o desde un sistema durante una interacción no es una
propiedad puesto que la cantidad de dicha cualidad depende de algo más que un estado
del sistema. El calor y la energía son mecanismos de transferencia de energía entre un
sistema y sus alrededores y existen muchas similitudes entre ellas:
1. Ambos se reconocen cuando cruzan las fronteras del sistema. Tanto a
transferencia de calor como el trabajo son fenómenos de frontera.
2. Los sistemas poseen energía, pero no calor o trabajo.
3. Ambos se asocian con un proceso, no con un estado. A diferencia de las
propiedades, ni el calor o el trabajo tienen significado en un estado.
4. Ambos son funciones de la trayectoria (sus magnitudes dependen de la trayectoria
seguida durante un proceso, así como de los estados extremos).
Las funciones de la trayectoria tienen diferenciales inexactas, designadas mediante el
símbolo δ. En consecuencia, una cantidad diferencial de calor o trabajo se representa
mediante δQ o δW, respectivamente, en lugar de dQ o dW. Las propiedades, sin
embargo, son funciones de punto (sólo dependen del estado y no de cómo el sistema
llega a ese estado) y tienen diferenciales exactas designadas por el símbolo d. Un
pequeño cambio en el volumen, por ejemplo, es representado por dV y el cambio de
volumen total durante un proceso entre los estados 1 y 2 es
∫
2
1
dV = V2 − V1 = ΔV
El cambio de volumen durante el proceso 1-2 siempre es el volumen en el estado 2
menos el volumen en el estado 1, sin importar la trayectoria seguida. Sin embargo, el
trabajo total realizado durante el proceso 1-2 es
2
∫ δW = W
1
12
=1W2
(no ΔW )
El trabajo total se obtiene de seguir la trayectoria del proceso y añadir las cantidades
diferenciales de trabajo (δW) efectuadas a lo largo del trayecto. La integral de δW no es
W2 – W1 (el trabajo en el estado 2 menos el trabajo en el estado 1), lo que no tiene sentido
puesto que el trabajo no es una propiedad y los sistemas no poseen trabajo en un estado.
TERMODINÁMICA.
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TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
PROBLEMAS RESUELTOS (TERMODINAMICA)
Tema: Trabajo Termodinámico
1) Un cilindro en el cual el émbolo se mantiene con un resorte, contiene 1 pie3 de aire a
una presión de 15 Psia, equilibrada exactamente con la presión atmosférica de 15 Psia.
Asumir que el peso del émbolo es despreciable. En el estado inicial el resorte solo toca la
émbolo sin ejercer fuerza alguna sobre el mismo. Entonces se calienta el gas hasta doblar
su volumen. La presión final del gas es de 50 Psia, y durante este proceso la fuerza que
ejerce el resorte es proporcional al desplazamiento del émbolo a partir de su posición
inicial. Se solicita: A) Mostrar el proceso en diagrama P-V B) Considerando el gas como
sistema, calcular el trabajo total efectuado: gráficamente y analíticamente. C) De este
trabajo total, ¿cuánto es hecho contra la atmósfera y cuánto contra el resorte?
Resorte
SOLUCIÓN:
Esquema:
Aire
(Sist
Seguidamente, hay que clasificar la información por estados:
1.1 Edo. 1
P1= 15 Psia
V1= 1 pie3
FRes ∝ x
Edo. 2
P2=50 Psia
V2=2V1=2 pie3
A) Diagrama P-V:
En principio conocemos el estado inicial y final del proceso, sin embargo no se conoce la
trayectoria que va a unir esos dos estados, así que:
P (Psia)
(2)
50
(1)
15
1
2
V (pie3)
Hagamos un análisis para determinar la forma como varía la presión en función del
volumen ( relación P-V):
TERMODINÁMICA.
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TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
Hay que tomar también en cuenta que la presión del sistema en cualquier momento va
ser la suma de la presión que ejerce la Atmósfera más la presión que ejerce el Resorte:
Psist = PAtm+ PRes
Así que debemos determinar como cambia la presión producida por el Resorte, ya que la
componente Presión Atmosférica es constante. Partamos del hecho de que la presión del
resorte ejerce una fuerza proporcional al desplazamiento(X) del émbolo y expresándolo en
forma diferencial:
dFRes ∝ dX
En principio debemos recordar que matemáticamente el signo de proporcionalidad( ∝ )
puede ser sustituido por un signo de igualdad (=) introduciendo una constante de
proporcionalidad (C):
dFRes = C dX
(A)
Por otro lado recordemos que existe una relación estrecha entre fuerza y presión, así
podríamos escribir:
FRes= PRes* Aemb, y en forma diferencial:
dFRes= dPRes* Aemb
(B)
Adicionalmente, la relación que existe entre el volumen y el desplazamiento en un cilindro
viene dado por:
V=Aemb*X
Entonces : X = v/aemb, y en forma diferencial:
dX = dV/Aemb
(C)
Sustituyendo (B) y (C) en (A):
dPRes* Aemb=C dV/Aemb
Así :
dPRes = C*dV/Aemb2
Integrando esta expresión:
PRes = C*V/Aemb2 + C1
Por ser “Aemb2” un valor constante, podríamos rescribir equivalentemente que:
PRes = C´*V + C1
TERMODINÁMICA.
14
TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
Esta última expresión revela que la Presión del Resorte varía LINEALMENTE con
respecto al volumen (y consecuente mente también la Presión del Sistema),
matemáticamente:
Psist = PAtm+ C´*V + C1
Los términos “PAtm” y “C1”, pueden ser condensados en otra constante, que llamaremos
“C2”:
Psist = C´*V + C2
Ecuación que rige el proceso
Ahora si podemos, tener la certeza deque los estados (1) y (2) ubicados en el grafico
P-V, debemos unirlos con una Línea Recta:
P (Psia)
(2)
50
(1)
A2
15
A1
1
2
V (Pie3)
B) Trabajo total efectuado:
B.1)Solución Gráfica
Ya que contamos con la gráfica del proceso y que el área debajo de la misma se
puede descomponer en dos figuras regulares sencillas: A1 (rectángulo) y A2 (triángulo), se
puede obtener el valor absoluto del trabajo gráficamente:
ATot= A1+ A2
Para el rectángulo: A1 = b*h = (2-1)pie3* (15 Psia) = 15 Psia*Pie3
Para el triángulo: A2=(b*h)/2 =(2-1)pie3* (50-15 Psia)/2 = 17.5 Psia*Pie3
Entonces:
1W2Total
= ATot= 15 Psia*Pie3 + 17.5 Psia*Pie3 = 32. 5 Psia*Pie3
El signo del trabajo se determina analizando si el sistema se expande o se comprime. En
este caso en particular por ser un proceso de expansión el trabajo es realizado por el
sistema y por lo tanto es Positivo, así que:
1W2Total
=32. 5 Psia*Pie3= 6.025 Btu (Resp.)
B.2 )Solución Analítica
TERMODINÁMICA.
15
TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
Ya sabemos que la Ecuación General que rige al proceso es: Psist = C´*V + C2, sin
embargo para obtener una solución analítica es necesario determinar los valores de las 2
constantes C´y C2. Para lo cual evaluemos esta ecuación en los estados inicial y final:
Para edo. 1: V1= 1 Pie3 y P1= 15 Psia, sustituyendo en la ecuación del proceso( obviando
las unidades):
15 = C´*(1) + C2
C´ + C2 =15 (a)
Para edo. 2: V2= 1 Pie3 y P2= 50 Psia, sustituyendo en la ecuación del proceso ( obviando
las unidades):
50 = C´*(2) + C2
2C´ + C2 =50 (b)
Estamos en presencia de un sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas, que al ser
resuelto determina que:
Por lo que:
C´ = 35 y C2 = - 20
Psist = 35V –20
Ecuación que puede ser sustituida en la definición general de trabajo de frontera para ser
integrada:
1W2
= ∫ P*dV
Sustituyendo e integrando entre V1 y V2:
2
1W2 = ∫ (35V –20)dV= | 17.5V – 20V|
V2=2 pie3
V1=1 pie3
Sustituyendo los límites de integración:
1W2 Total
= | 17.5(2)2 – 20(2)| - | 17.5(1)2 – 20(1)| = 32. 5 Psia*Pie3 = 6.025 Btu (Resp.)
C) Trabajo contra la Atmósfera y trabajo contra el Resorte
Es evidente que el aire(sistema) ejecuta un trabajo en contra de dos elementos
que se le oponen, que son la Atmósfera y el Resorte, así que el trabajo total es:
1W2Total
= WcAtm + WcRes
El Trabajo que se realiza contra la atmósfera (WcAtm), por su misma naturaleza es un
trabajo que se realiza a presión constante, por lo tanto la fórmula de calcularlo es la
siguiente:
WcAtm = PAtm(V2-V1)= 15 Psia(2 – 1 )pie3=15 Psia*Pie3 =2.775 Btu
(Resp.)
El trabajo contra el resorte se puede obtener por simple diferencia:
WcRes= 1W2Total - WcAtm=(32.5 –15) Psia*Pie3=17.5 Psia*Pie3=3.2375 Btu(Resp.)
TERMODINÁMICA.
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TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
2) Un globo esférico tiene 0.254 m de diámetro y contiene Nitrógeno a una presión de 138
kPascal. El diámetro del globo aumenta a 0.305 m debido al calor y durante este proceso
la presión dentro del globo es proporcional a su diámetro. Calcular el trabajo efectuado
por el Nitrógeno durante el proceso.
SOLUCIÓN:
Esquema:
Nitrógeno
(sistema)
1.2
Edo. 1
P1= 138 Kpascal
d1= 0.254 m
Edo. 2
P∝ d
1W2 =?
P2=?
d2=0.305 m
Para poder calcular cualquier trabajo relacionado con cambio de volumen,
necesariamente hay que conocer la relación Presión-Volumen (P-V)del proceso. En
principio conocemos una relación un tanto rudimentaria entre la presión y el diámetro del
globo (P ∝ d ). Entonces el objetivo primario será tratar de manipular esta expresión
matemáticamente hasta convertirla en una relación “P-V”. Procedamos:
En primer lugar debemos recordar, que matemáticamente el signo de
proporcionalidad( ∝ ) puede ser sustituido por un signo de igualdad (=) introduciendo una
constante de proporcionalidad (C):
P = C*d
(1)
En Segundo lugar como estamos trabajando con una esfera, debemos considerar que el
volumen de la misma viene dado por:
V=(1/6) Π*d3
De aquí se deriva que:
d= [V/(6Π)]1/3 = (1/6Π )1/3 V1/3
Como tanto el número “6” como el factor “Π” son valores constantes, su inverso elevado
a la “1/3” sigue siendo una constante, a la que llamaremos “C1”. Entonces podemos
rescribir esta última expresión de la siguiente manera:
TERMODINÁMICA.
17
TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
d= C1* V1/3
(2)
Ahora sustituyendo (2) en (1), tenemos:
P = C* C1*V1/ 3
el producto de las dos constantes genera otra constante, que llamaremos “C2”, así:
P = C2*V1/ 3
Rearreglando :
Si pasamos el término “V
resultando:
P/ V1/ 3 = C2
” al numerador debemos cambiarle el signo de su exponente,
1/ 3
P*V-1/ 3 = C2
1.2.1
Esta fórmula corresponde al denominado Proceso Politrópico (PVn =C).
La fórmula para calcular el trabajo en un Proceso Politrópico es:
1W2
=(P2*V2 – P1*V1) / (1-n)
Los volúmenes se calcularán directamente por la fórmula de la esfera, a partir de ambos
diámetros:
V1= (1/6) Π*d13=(1/6) Π*(0.254 m)3= 0.00858 m3
V2= (1/6) Π*d23=(1/6) Π*(0.305 m)3= 0.0149 m3
La Presión final se determinará a partir de la ecuación que rige el proceso (Politrópico):
Despejando P2:
P1*V1-1/ 3 = P2*V2-1/ 3
P2 = P1*(V1/ V2)-1/ 3 = 165.87 kPa
Sustituyendo valores en la fórmula de trabajo:
1W2
= (165.87*0.0149 – 138*0.00858) kPa*m3/ [1-(-1/3)] = 0.966Kjoul (Resp.)
Comentario Final:
Note, que el resultado es positivo porque el sistema se está expandiendo, o sea, está
realizando trabajo, no recibiéndolo. Si los estados final e inicial se invirtieran, la magnitud
del trabajo sería la misma; pero con signo contrario (negativo).
TERMODINÁMICA.
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TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
3) Un cilindro vertical dotado de un pistón contiene 0.10 pie3 de Freón-12 a 80 °F y una
calidad de 90%. El pistón tiene una masa de 850 Lbm, el área de la sección transversal
del pistón es 10 Pulg2, y se mantiene en su lugar descansando en unos topes.
Adicionalmente, un agitador está dentro del cilindro como se indica en la figura. La presión
del ambiente es 15 Psia. Se suministra calor lentamente al Freón produciendo que el
pistón se mueva y simultáneamente es activado el agitador, suministrándole cierta
cantidad de trabajo al sistema. Si la temperatura final es 320 °F. Considerando el Freón12 como sistema, y que el trabajo neto (total) del mismo es 1 Btu, determine el trabajo
proporcionado por el agitador.
SOLUCIÓN:
PAt
Esquema:
Seguidamente, hay que clasificar la información por estados:
WAgit
F-12
(Sist)
1.3
Edo. 1
V1= 0.10 pie3
T1= 80 °F
X1= 90%
mpist=850 Lbm
Apist =10 Pulg2
1W2neto =1 Btu
1W2Agit =?
Edo. 2
T2= 320 °F
Agitado
Análisis: En este problema en particular, podemos identificar 2 tipos de trabajo distintos:
uno asociado al cambio de volumen del sistema (1w2vol) y otro asociado al movimiento de
un eje (1W2Agit), en consecuencia el Trabajo neto (1W2neto) de este sistema es la suma
algebraica de los mismos:
1W2neto
= 1W2Agit + 1W2Vol
Y el trabajo del agitador consecuentemente:
1W2Agit
= 1W2neto - 1W2Vol
El trabajo producto del cambio de volumen se efectúa en contra de la atmósfera y en
contra del peso del émbolo o pistón, ambos elementos ejercen una presión que se
mantiene constante a lo largo del proceso de expansión. Así ese trabajo viene dado por:
1W2Vol =P2 (V2 - V1 )
en donde la presión del sistema es:
P2= PPist+ PAtm
La presión que ejerce el pistón es el efecto de su peso, por lo que se calcula como sigue:
TERMODINÁMICA.
19
TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
PPist=(Peso del pistón) /( APist*gc)
el sistema inglés)
PPist=(mPis*g) /( APis*gc) =(850
Lbm*Pie/Lbf*seg2)= 85 Psia
(Nota: la “gc” es necesaria en
Lbm*32.2
pie/seg2)/(10
Pulg2*32.2
Entonces:
P2= 85 Psia + 15 Psia = 100 Psia
Para conseguir V2, primero es necesario obtener la masa del sistema, la cual es
constante, por ser un sistema cerrado.
Usemos la información del estado inicial que es la más completa, para hacer este
cálculo:
m1 = V1/νsis1
por ser el estado inicial un estado de mezcla, el volumen específico del sistema se obtiene
en función de la calidad(X):
νsis1 = νf1 + X1(νfg1)
Sustituyendo valores:
Entonces :
νf = 0.01227 pie3/Lbm
y
νfg = 0.3390 pie3/Lbm
νsis1 = (0.01227 + 0.9*0.33909 pie3/Lbm = 0.3714 pie3/Lbm
m1 = 0.1 pie3/0.3714 pie3/Lbm = 0.269 Lbm
m2
Del estado final conocemos: P2 =100 Psia y T2= 320 °F, con estas dos propiedades se
determina que el Freón es Vapor Sobrecalentado, y leyendo el volumen específico
respectivo en la Tabla correspondiente, se obtiene:
νsis2 = 0.66472 pie3/Lbm,
Por lo que:
V2 = m2*νsis2 =0.269 Lbm*0.66472 pie3/Lbm= 0.18 pie3
Retomando la fórmula de trabajo por cambio de volumen:
1W2Vol =P2
(V2 - V1 )=100 Psia(0.18-0.10) pie3 = 8. Psia*pie3= 1.48 Btu
Finalmente, el trabajo entregado por el Agitador, será.
1W2Agit = 1W2neto - 1W2Vol= 1 Btu – 1.48 Btu = - 0.48 Btu (Resp.)
Comentarios Finales:
9 Note, que el resultado es negativo y esto es lógico ya que este trabajo en vez de
hacerlo el sistema, lo recibe el mismo.
9 Por otro lado fíjese que la presión que tenía al sistema en su estado inicial con el
émbolo descansando en los topes era la correspondiente a la de saturación a 80
TERMODINÁMICA.
20
TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
°F ( 98.87 Psia) e independiente de la presión externa, pero una vez que se le
suministra calor al sistema la presión aumenta hasta equilibrarse exactamente con
la presión externa, la cual se mantiene constante en todo el recorrido del émbolo.
Esto explica porque se uso la P2 en el cálculo del trabajo de expansión, ya que lo
relevante al evaluar el trabajo, es saber como se comporta la presión mientras
exista movimiento.
4) Cierta cantidad de aire está contenida en un arreglo cilindro-pistón como muestra la
figura. El pistón es de peso despreciable y tiene un área de 4*10-4 m2. La presión inicial del
aire equilibra exactamente la presión atmosférica de 101.33 kPa. La temperatura y el
volumen inicial son 20 C y 2*10-5 m3 respectivamente. Acoplado a esta arreglo hay un
resorte lineal, que tiene una constante de deformación KRes= 10 kNewton/m. El resorte
inicialmente solo toca al pistón y no ejerce fuerza alguna. Se le suministra calor al aire
expandiéndose y aumentando su presión hasta 304 kPa. Considerando el aire como un
gas ideal, determine: A) La masa del aire. B) El volumen final C) La temperatura Final D)
El trabajo total realizado por el aire.
SOLUCIÓN:
Esquema:
Resorte
Aire
(Sist
Seguidamente, hay que clasificar la información por estados:
1.4
Edo. 1
P1= 101.33 kPa
V1= 2*10-5 m3
Edo. 2
P2=304 kPa
T2=?
V2=?
KRes= 10 kNewton/m
APist = 4*10-4 m2
maire= ?
1W2Tot
=?
1.4.1.1.1.1 A) Masa del aire
La masa del aire se puede obtener a partir de la versión de la ecuación de gas ideal en
función de la masa. Usando la información del estado inicial:
P1*V1 =maire*Rp*T1
Despejando:
maire= P1*V1/ Rp*T1
TERMODINÁMICA.
21
TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
En la tabla correspondiente se puede obtener la constante de gas particular para el aire:
Rp =0.28720 kPa*m3/Kg*°K
Sustituyendo valores:
maire= (101.33kPa*2*10-5 m3 ) / [ (0.28720 kPa*m3/Kg*°K)*293 °K]=2.41*10-5 kg (Resp.)
B) Volumen Final
El volumen final es simplemente el volumen inicial más la variación del mismo:
V2=V1+ ΔV
Ahora bien la variación del volumen, puede ser escrita, en función del desplazamiento(X),
para un cilindro de la siguiente manera:
ΔV= APis*X
por lo que:
V2=V1+ APis*X
A su vez la distancia recorrida (X), está relacionada con la fuerza del resorte (lineal) por la
siguiente fórmula:
en forma equivalente:
FRes = KRes*X,
entonces
X= FRes / KRes
X= PRes*APis/ KRes
Por otra parte, la presión final del sistema es la sumatoria de la presión inicial mas la
presión del resorte:
Entonces:
P2 = P1 + PRes
PRes = P2 - P1 = (304 –101.33 )kPa = 202.66 kPa
Retomando la fórmula del desplazamiento:
X= PRes*APis/ KRes= 206.66 kPa*4*10-4 m2/10 kN/m=0.0081 metros
Por lo tanto el volumen final será:
V2=V1+ APis*X= 2*10-5 m3+4*10-4 m2*0.0081 m=2.324*10-5 m3 (Resp.)
C) Temperatura Final
Aplicando la Ecuación de Gas ideal que relaciona dos estados de un sistema
cerrado, tenemos:
P1*V1/T1 =P2*V2/T2
Despejando T2:
T2 = (P2*V2/ P1*V1)*T1 =304 kPa*2.324*10-5 m3/101.33 kPa*2.*10-5 m3=1021.4 °K = 748.4 °C(
Resp.)
d) Trabajo Total
Grafiquemos el estado inicial y final del proceso en un diagrama P-V:
TERMODINÁMICA.
22
TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
P (kPa)
(2)
304.00
(1)
101.33
V1
V2
V (m3)
Para un Resorte Lineal el cambio de la presión ejercida, también es lineal, por lo que
debemos unir estos dos puntos con una línea recta:
P (kPa)
(2)
304
(1)
A2
101.33
A1
V1
V2 V (m3)
Ya que contamos con la gráfica del proceso y que el área debajo de la misma se
puede descomponer en dos figuras regulares sencillas: A1 (rectángulo) y A2 (triángulo), se
puede obtener el valor absoluto del trabajo gráficamente:
ATot= A1+ A2
Para el rectángulo: A1 = b*h = (2.324*10-5 m3 -2 *10-5) m3* (101.33 kPa) = 3.28 *10-4 Kjoul
Para el triángulo: A2=(b*h)/2 (2.324*10-5 m3 -2 *10-5) m3* (304-101.33) kPa /2 = 3.28 *10-4
Kjoul
Entonces:
1W2Total
= ATot= 3.28 *10-4 Kjoul + 3.28 *10-4 Kjoul= 6.56 *10-4 Kjoul
El signo del trabajo se determina analizando si el sistema se expande o se
comprime. En este caso en particular por ser un proceso de expansión el trabajo es
realizado por el sistema, y por lo tanto es Positivo, así que:
1W2Total
= 6.56 *10-4 Kjoul (Resp.)
TERMODINÁMICA.
23
TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
5) Un dispositivo cilindro-émbolo con un conjunto de topes contiene 10 kg de Freón-12 (R12). Al principio 8 kg de R-12 están en fase líquida y la temperatura es -10°C. Se
transfiere más calor al refrigerante hasta que el émbolo toca los topes superiores punto en
el cual el volumen es 400 litros. Determine a. La temperatura cuando el émbolo toca los
topes, b. Trabajo realizado durante el proceso.
Datos
Estado 1
Estado 2
m1= 10 kg
m2= 10 kg
mf = 8 kg
V2 = 400 l
mg = 2 kg
T1= -10
°C
a. Para determinar
la temperatura
en el instante que el émbolo toca los topes, es
Solución
necesario identificar el estado termodinámico y buscar la temperatura en el estado
correspondiente. En el estado final el R-12 ocupa un volumen de 400 litros y la
masa es 10 kg, ya que no se introdujo ni se extrajo masa del sistema, como el
dispositivo es un cilindro émbolo y no se especifica que durante el proceso de
expansión la presión cambió con la variación de volumen se considerará que es un
proceso isobárico.
El volumen especifico del sistema en el estado final
V2 0,4m 3
m3
ν2 =
=
= 0,04
10kg
m2
kg
La presión en el estado 2 es igual a la presión inicial
P2 = P1 = Psat
T1
= 0,2191MPa
Para identificar el estado termodinámico se buscan los volúmenes específicos del
líquido y vapor saturado en la tabla de saturación a la presión final
νf
0 , 2191MPa = 0,0007
m3
kgm
y
νg
0 , 2191MPa = 0,076646
m3
kgm
Comparando éstos volúmenes específicos con el del estado final
m3
m3
0,04
> 0,0007
kg
kg
y
m3
m3
0,04
< 0,076646
kg
kg
se determina que el estado termodinámico es mezcla líquido y vapor; por lo tanto
TERMODINÁMICA.
24
TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
T2 = Tsat
P 2 = 0 , 2191MPa
= −10°C
b. Durante el proceso, el R-12 sufrió una expansión a presión y temperatura
constante, y el estado termodinámico inicial y final son mezcla líquido vapor. Su
representación en un diagrama Pv es la siguiente:
m3/kg
La cantidad de trabajo efectuado se calcula por la siguiente ecuación
Wisobárico = P(V2 − V1 )
P= 0,2191 MPa
V2=0,4 m3
V1=?
Por ser una mezcla líquido vapor
⎡
m3
2kg
m3 ⎤
m3
+
× (0,076646 − 0,0007)
ν 1 = ν f + xν fg = ⎢0,0007
⎥ = 0,016029
kgm 10kg
kg
kg
⎣
⎦
TERMODINÁMICA.
25
TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
V1 = ν 1 × m1 = 0,016029
m3
× 10kg = 0,16029m 3
kg
El trabajo total realizado por el sistema durante la expansión, el signo es del es
positivo ya que el mismo es realizado por el sistema.
Wisobárico = P(V2 − V1 ) = 0,2191Mpa × (0,4 − 0,16029)m 3 = 0,05252MJ ×
1000kJ
= 52,52kJ
1MJ
6) Un cilindro vertical contiene 0,185 lbm a 100°F, el volumen inicial encerrado debajo del
embolo es 0,65 pie3. El embolo tiene un área de 60 pulg2 y una masa de 125 lbm.
Inicialmente el embolo descansa sobre los topes. La presión atmosférica es de 14 psia y
la aceleración de la gravedad es de 30,9 pie/seg2. Entonces se transmite calor hasta que
el cilindro contiene vapor saturado. Determine:
a) ¿Cual es la temperatura del agua cuando el embolo comienza a levantarse de los
topes?
b) Cuanto trabajo ejecuta el vapor de agua durante el proceso.
c) Dibuje el diagrama P-v y T-v de todo el proceso.
Esquema del Estado inicial.
v
+
L
SOLUCIÓN:
EDO 1
m1=0,185 lbm
T1 = 100 ºF
V1 = 0,65 pie3
Edo = L+V
Ae = 60 pulg2
me= 125 lbm
EDO 2
m2= m1=0,185 lbm
V2 = 0,65 pie3
Ae = 60 pulg2
me= 125 lbm
EDO 3
m2= m1= m3= 0,185 lbm
Edo: Vapor Saturado
Ae = 60 pulg2
me= 125 lbm
La masa permanece constante ya que es un sistema cerrado y no hay intercambio de
masa.
En el estado inicial el embolo descansa sobre los topes. Por lo tanto la presión inicial del
sistema es la presión de saturación a 100 ºF, ya que el estado 1 esta como mezcla
liquido+ vapor.
Para responder la letra a) debemos primero hacer un balance de fuerzas para determinar
a que presión se comenzara a levantar el embolo de los topes. Ya que nos han
proporcionado la data suficiente para el calculo del peso del embolo debemos incluirlo en
el balance de fuerza. Este queda del siguiente modo:
∑ F = Patm ∗ Ae + We = Psistema * Ae = 0
Despejando La Presión del sistema
TERMODINÁMICA.
26
TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
Psis =
Patm * Ae + We
Ae
Sabiendo que
We =
me * g
gc
Nos queda del siguiente modo:
Patm * Ae +
Psis =
me * g
gc
Ae
P2 =
pie
125lmb * 30,9 2
lbfi
s
14
* 60 pu lg 2 +
lbm * pie
pul 2
32,17
lbf * s 2
Psis =
60 pul 2
=
840lbf + 120,065lbf
= 16,001 psia
60 pu lg 2
En embolo comienza a levantarse cuando la presión en el equilibrio mecánico se hace
igual a 16,001 psia. Entonces la temperatura a la cual el embolo comienza a levantarse se
debe determinar con esta propiedad y el volumen en el edo 2 cuando apenas comienza a
levantarse que será el mismo del edo 1.
con este volumen y la P2 determinamos el
estado
Ya que en las tablas no aparece 16 psia
debemos interpolar los valores de vg y vf para
poder determinar el estado termodinámico.
3
0,65 pie 3
v1 = v 2 =
= 3,514 pie
lbm
0,185lbm
Vg= 25,05
vf = 0,0167444 pie3/lbm
Mezcla L+V
La temperatura será entonces (luego de interpolarla) Tsat @ 16 psia =T2 = 216,019 ºF
T 3 = T2
P2 = P3
ya que el estado tres es Vapor Saturado.
v3= vg= 25,05 pie3/lbm
ya que es vapor saturado
Podemos ahora calcular el trabajo del sistema.
b) Wtotal =1W2 + 2W3 Î El trabajo 1-2 es isométrico por lo tanto es 0.
El trabajo 2-3 es isobárico, a presión constante por lo tanto se calcula por esta formula:
2W3 = P (V3 − V2 ) Trabajo a presión constante.
pie 3
* 0,185 lbm = 4,634 pie3
lbm
2
lbf
3 144 pu lg
= 9179,136lbf * pie
(4,634 − 0,65) pie *
2W3 = 16
pu lg 2
1 pie 2
V3 = v3 * m3
V3 = 25,05
TERMODINÁMICA.
27
TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
1.4.1.1.1.1.1
1.4.1.1.1.1.2 c)
1.4.1.1.1.1.3
3,514
25,05
pie3/lbm
1.4.1.1.1.1.4
1.4.1.1.1.1.5
7) Un dispositivo cilindro – émbolo contiene 50 kg de agua a 150 kpa y 25oC. El
área de la sección transversal del émbolo es de 0,1 m2. Se transfiere calor al agua,
con lo que parte de ella se evapora y expande. Cuando el volumen alcanza 0,2 m3 el
émbolo alcanza un resorte lineal cuya constante de resorte es 100 kN/m. Se transfiere
más calor al agua hasta que el émbolo avanza 20 cm más. Determine:
a) La presión y temperatura finales.
b) El trabajo realizado durante este proceso.
c) Represente el proceso en un Diagrama P-V.
Agua
TERMODINÁMICA.
28
TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
SOLUCIÓN: Sistema Cerrado esto implica msist es constante. En este tipo de problemas
es importante ubicar en los distintos estados el volumen correspondiente ya que luego son
datos que nos ayudaran al cálculo del trabajo realizado.
Estado 1:
Con los datos del problema podemos determinar entonces el estado inicial. Esto es:
En la tabla de saturación del agua @ 25o C => Psat = 2,3385 Kpa
Así: Psist > Psat => Líquido Comprimido (Edo.1)
ν1 = νf = 0,001003 m3/kg, relacionando con la masa del sistema podemos conocer el
volumen en esta condición.
ν1
= V1/ m => despejando V1= 0,001003 m3/kg * 50 kg
V1 = 0,05015 m3
Estado 2:
En esta condición debido a la transferencia de calor el agua se evapora y expande, por lo
que el émbolo sube y alcanza el resorte lineal, en este punto el volumen es de
0,2 m3 .
Con esto podemos calcular el ν2 con la finalidad de confirmar el estado (L+v)
ν2 = V2 / m => 0,2 m3/ 50 kg = 0,004 m3/Kg.
Así νf < ν2 < νg => Mezcla Liquido- Vapor (Edo.2)
Es por ello que la gráfica muestra el cambio del estado 1 al estado 2 sobre la linea de
presión de 150 Kpa.
Estado 3:
Para determinar esta condición, en donde ya se ha iniciado la compresión del resorte
lineal cuya constante esta dada por el problema, tenemos:
F = k.x y Presorte = F/A
De los datos X = 20 cm (desplazamiento del émbolo) en la condición final.
Fresorte = 100 KN/m * 0,20 m = 20 KN
Presorte = 20 KN /0,1 m2 = 200 kPa
Entonces: Pfinal (sistema) = Pinic (sist) + Presorte = 150 kPa +200 kPa
Pfinal (sistema) = 350 kPa
TERMODINÁMICA.
29
TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
T3 = Tsat
P3 => T3 = 138,88 oC
Para determinar la temperatura debemos calcular exactamente el volumen (V3) comparar
con los volúmenes de líquido y vapor saturado correspondiente a una presión de 350 Kpa
(Pfinal)
Recordemos que:
∆V2-3 = ∆X.A
∆V2-3 = 0,20 m * 0,1 m2 = 0,02m3
V3 = ∆V2-3 + V2 => V3 = 0,22 m3
Así el volumen específico correspondiente será
ν3 = V3 / m => 0,22 m3/ 50 kg = 0,0044 m3/Kg.
Comparando con los valores de νf y νg @ 350 KPa
νf < ν3 < νg => Continúa como mezcla Liquido- Vapor (Edo.3)
Por lo tanto la temperatura final (Edo. 3) será respectivamente la temperatura de
saturación correspondiente a una presión de 350Kpa.
De la tabla de saturación del agua, T3 = 138,88 oC
El trabajo puede calcularse a través de las ecuaciones correspondientes a los procesos
llevados a cabo y/o gráficamente, es decir:
Proceso 1-2 ) → Proceso a P ctte
Proceso 2-3 ) → Proceso Compresión del Resorte
P
3
350 KPa
150 KPa
1
2
V1
V2
V3
V
TERMODINÁMICA.
30
TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
Partiendo de las ecuaciones:
WTotal = W1-2 + W2-3
W1-2 = P.(V2 – V1) = 150 kpa . (0,2 – 0,05015) m3 = 22,50 KJ
W2-3 = P.(V3 – V2) + ½ K RESORTE . (X3 – X2)
W2-3 = 150 Kpa . (0,22 – 0,20) m3 + ½ . 100 KN . [ (0,20)2 – (0)2 ] m = 5KJ
Por lo tanto el trabajo realizado durante el proceso es de:
WTotal = 22,50 KJ + 5KJ = 27,50 KJ.
Se recomienda practicar el cálculo del trabajo empleando el método gráfico (área bajo la
curva), así como la representación del problema en un diagrama P-ν.
1.4.1.1.1.1.6 Problemas Propuestos
1.4.1.1.1.1.7 Tema: Trabajo Termodinámico
1) Conjunto cilindro-pistón contiene gas Butano, C4H10, a 300 °C y 100 kPa, con un
volumen de 0.02 m3. El gas se comprime lentamente en un proceso isotérmico a 300 kPa.
a) Demuestre que es razonable suponer que durante este proceso el butano
se comprime como gas ideal.
b) Determine el trabajo que el butano realiza durante.
2) Un globo se compota de modo que la presión en su interior es proporcional al
cuadrado del diámetro. Contiene 2 kg de amoníaco (NH3) a 0 C, con calidad de 60%. Se
calientan el globo y el amoniaco, hasta alcanzar una presión final de 600 kPa. Si se
considera el amoniaco como sistema determine el trabajo durante el proceso,.
3) Dos kilogramos de agua se encuentran dentro de un conjunto cilindro-pistón, con un
pistón de masa despreciable, sobre el cual actúa un resorte lineal y la atmósfera exterior.
Inicialmente la fuerza del resorte es cero y P1=100 kPa con un volumen de 0.2 m3.
Cuando el pistón justamente roza los soportes superiores el volumen es de 0.8 m3 y
T=600 C. Ahora se agrega calor hasta que la presión alcanza 1.2 Mpa. Encuentre la
temperatura final, represente el proceso en diagrama P-V y encuentre el trabajo que
realiza el agua durante el proceso.
Resorte
Agu
a
TERMODINÁMICA.
31
TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
4) Dentro de un cilindro se comprime vapor de amoníaco por acción de una fuerza externa
que actúa sobre pistón el amoniaco se encuentra inicialmente a 30 °C y 500 kPa, y la
presión final es 1400 kPa. Se han medido los siguientes datos para el proceso:
Presión, kPa 500
Volumen,
1.25
Litros
653
1.08
802
0.96
945
0.84
945
0.72
1248
0.60
1400
0.50
5) Un cilindro provisto con un émbolo contiene gas propano a 100 kPa y 300 K, con un
volumen de 0.2 m3. Ahora el gas se comprime lentamente de acuerdo con la relación
PV1.1 = C, hasta una temperatura final de 340 K. a) ¿ Cuál es la presión final?. b)
Justifique el comportamiento de gas ideal. c) ¿Cuánto trabajo realiza el propano durante el
proceso
Método gráfico para el cálculo del área bajo una curva
Paso # 1
Construya la gráfica a ESCALA con los valores x-y suministrados.
y
x
Paso # 2
Divida la curva en “N” franjas de igual anchura( ΔX ). Se recomienda que N ≥ 5.
y
y0
y1
y2
ΔX
y3
ΔX ΔX ΔX
y4
ΔX
yn-1
yn
ΔX
x
Paso # 3
TERMODINÁMICA.
32
TEMA 3: TRABAJO Y CALOR
Lea los valores de altura ( yo, y1, y2, y3,... yn ) que se generaron de la división
anterior. Estos valores de “y” no necesariamente coinciden con los valores que se
utilizaron para graficar en el paso # 1.
Paso # 4
Sustituya los valores leídos de la gráfica en cualquiera de las siguientes fórmulas:
a) Formula # 1 ( Regla Trapezoidal )
A = ΔX [ 0.5 ( y0 + yn ) + y1 + y2 + y3 + ... yn-1 ] ( Menos exacta)
b) Formula # 2 ( Regla de Durand )
A = ΔX [ 0.4 ( y0 + yn ) + 1.1(y1 + yn-1 ) + y2 + y3 + ... yn-2 ] ( Exactitud intermedia )
c) Formula # 3 ( Regla de Simpson - “N” debe ser par)
A =(1/ 3) ΔX [ ( y0 + yn ) + 4( y1 + y3 +...yn-1 ) + 2 (y2 + y4 + ... yn-2 ] ( Más exacta )
© by F.B.C ( 20 - 06 - 99
)
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
•
•
•
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Van Wylen, Gordon J. & Sonntag, Richard E. Fundamentos de Termodinámica.
Editorial Limusa. México. 1990. 735 págs.
López Arango, Diego. Termodinámica. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería.
Segunda Edición. Colombia. 1999. 425 págs.
Çengel, Yunus A. & Boles, Michael A. Termodinámica. Editorial McGraw-Hill.
Cuarta Edición. México. 2003. 829 págs.
Wark, Kenneth & Richards, Donald E. Termodinámica. Editorial McGraw-Hill. Sexta
Edición. México. 2004. 1048 págs.
Müller Erich. Termodinámica Básica. Equinoccio. Ediciones de la Universidad
Simón Bolívar.
TERMODINÁMICA.
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