2do Exámen Parcial 2013-1 - División de Ciencias Básicas

FACULTAD DE INGENIERÍA
DIVISIÓN DE CIENCIAS BÁSICAS
COORDINACIÓN DE FÍSICA Y QUÍMICA
DEPARTAMENTO DE TERMODINÁMICA
SEGUNDO EXAMEN COLEGIADO 2013-1
SÁBADO 10 DE NOVIEMBRE 7:00 (h)
Wilhelm Maybach de Deutz
Instrucciones: lea cuidadosamente los problemas que se ofrecen. Resuelva
cualesquiera cuatro en dos horas y en el orden que usted desee. Se permite la
consulta de cualquier documento propio.
1. En un proceso de secado de papel se necesitan
(
) de calor; para obtenerlos, en
( )y
un quemador se mezclan aire y un combustible con entalpias de
( ),
respectivamente. Si por cada ( ) de combustible se necesitan ( ) de aire, calcule los
( ) de aire utilizados en una hora de operación. La entalpia específica de la mezcla es de
( ).
2. En un sistema cerrado, compresible y simple, un gas (
(
) ) experimenta
(
) y
( ) hasta
(
); el
un ciclo. El primer proceso es “muy lento” de
(
), el tercer proceso es una compresión
segundo proceso con “
” alcanza
isobárica hasta alcanzar el volumen inicial, y finalmente experimenta un calentamiento
isócoro hasta cerrar el ciclo, calcule la eficiencia térmica del ciclo, en ( ). Considere
(
)
3. Un tanque cilíndrico contiene un pistón que puede moverse libremente, sin fricción, de
tal manera que divide inicialmente al tanque en dos partes iguales (A y B). Cada parte
( ) del mismo gas (
contiene
(
)
(
)) a
( )y (
). En la
parte A hay un resistor eléctrico por el que fluye una intensidad de corriente que eleva
( ). Si tanto el cilindro como el pistón son
lentamente la temperatura del gas, hasta
adiabáticos, calcule la energía que entrega el resistor, en ( ).
4.
(
Dentro
(
de
)
un
(
cilindro-pistón
)) a
fricción, haciendo que el gas llegue a
dirección.
(
(
(
) con
) y
) y
(
)
nitrógeno
( ). Calcule el calor, en ( ), y su
( ) de humedad y la otra, de
(
). Si la turbina desarrolla
saturado a
en la entrada de la turbina, en ( ).
de
( ). El pistón se desplaza sin
( ) de vapor de agua a
5. En una turbina adiabática ingresan
dos corrientes: una, a
hay
(
(
), entregando
(
), de vapor
), calcule la temperatura del vapor
(
) y
( ), que se extrae de un pozo geotérmico, se
6. Un flujo de agua a
estrangula mediante una válvula de expansión, obteniéndose una mezcla que se
(
). Se producen una
introduce inmediatamente en una cámara de separación a
corriente de líquido saturado, que se desecha, y una corriente de vapor saturado, que se
(
) y cuya salida está a
(
) y
alimenta a una turbina adiabática que produce
( ) de calidad. Calcule el flujo de agua que se extrae del pozo, en ( ).
7. En un sistema de refrigeración,
(
) del refrigerante
se introducen en un
(
) y ( ). Se desea que el compresor consuma como máximo
( )
compresor a
(
) y
( ). Calcule la potencia
por cada ( ) del refrigerante que se descarga a
)
calorífica que se genera, en (
Resolución del segundo EXAMEN COLEGIADO: Wilhelm Maybach de Deutz. sem-2013-1
Problema 1.
Datos:
̇
(
),
(
( ),
)
(
( ),
( ),
)
Solución: del balance de masa:
ec. 1
̇
del balance de energía:
ec.2
Sustituyendo
de la ec.1 en ec.2 y considerando que por cada kg de
combustible se requieren dieciocho kg de aire.
̇
(
)
sustituyendo datos:
( )
Problema 2.
Datos: [
(
(
)
(
),
(
)],
),
( ),
,
(
,
Solución:
………..
ec.1
Proceso 1-2
De
→
con
( )o
( )
(
)
( )
( )
Proceso 2-3
(
)
(
)(
( )
con
)( )
( )( )
( )
( )
( )
( )
),
Proceso 3-4
(
)
(
(
)
), con
( )
)(
(
)( )
)(
)( )
(
)
(
)(
(
( )
( )
(
(
( )( )
(
))
)( ))
( )
Proceso 4-1
→
con
(
)(
(
),
)( )
( )
( )
sustituyendo en ec.1
Problema 3.
( ),
Datos:
( ),
( ),
(
)
Solución: de
(
)
(
) ,
(
)
(
)
)
)
(
→
(
)] ec.1
ec.2
(condiciones iniciales) y
ec.3
(condiciones finales)
(
(
)
),
,
Igualando ec.2 y ec.3
(
(
).
como
[(
considerando
( ),
y al no actuar fuerzas externas
(
→
( ),
)
como
→
Considerando que el cilindro y pistón son adiabáticos
→
)
con
( )
,
→
y
( )
resolviendo para
( )(
( )
)
( )
Finalmente sustituyendo en ec. 1
(
)
Problema 4.
Datos:
(
),
(
(
),
(
(
Solución:
De
(
),
( ),
(
),
)
(
)
→
),
→
)
(
)
(
)
…..ec.1
con
y
→
Con
y
(
sustituyendo en ec.1
) [(
)
Sustituyendo datos
(
), sale
]
( ).
Problema 5.
Datos: ̇
(
( ),
̇
),
(
(
( ), ̇
),
).
Solución: Realizando balance de masa
̇
̇
̇
̇
con ̇
→
̇
̇
̇
Realizando balance de energía:
̇
( ̇
( ̇
)
̇
̇
(
Con {
(
Con
Con ̇
)
̇
)
̇
̇
….. ec.1
→
(
( )
( )
)→{
̇
)
(
y ̇
→
̇
)
( )
Sustituyendo en ec.1
( )
Con {
( )
(
)
→
( )
(
),
(
).
Problema 6.
(
Datos:
(
),
( ),
(
( ), ̇
),
(
),
(
),
).
Solución: Considerando a ̇ como el flujo de agua extraído del pozo, ̇ el flujo de
vapor saturado extraído de la cámara e introducido a la turbina se tiene lo siguiente:
Solución
̇ (
̇
(
Con {
(
)
(
)(
)
)
,→
( )
( ) ,
(
con
(
ec.1
))
(
)→
(
) , con {
( )
)
→
( )
y
(
Con
( )
) {
( )
̇
sustituyendo en ec.1
( )
Problema 7.
Datos: ̇
(
Solución:
̇
(
̇
),
)
((
Con {
Con {
),
(
)
( )
{
(
)
( )
{
) …..ec.1
( )
(
(
)
( )
Sustituyendo en ec.1
̇
( ),
)
( ),
(
),
( )