6. Propiedades termodinámicas de los fluidos
242 La energía interna es
34
32 10
J
bar
Estos resultados concuerdan mucho más con los valores experimentales que los del supuesto caso del vapor de l-buteno considerado como un gas ideal.
PROBLEMAS demuestre que las isobaras en la región de vapor de deben tener una pendiente y curvatura positivas.
6.1.
Partiendo de la ecuación un diagrama de Mollier
6.2.
Utilice el hecho de que la ecuación (6.20) es una expresión diferencial exacta para demostrar que
es el resultado de aplicar esta ecuación a un gas ideal? 6.3.
Estime los cambios de entalpía y entropía cuando el amoniaco líquido a 270 K se comprime desde su presión de saturación de 381 hasta 1200 Para el amoniaco líquido saturado a 270 K, = 1.551 X y = 2.095 X
6.4.
El isobutano líquido es estrangulado por una válvula desde un estado inicial de 360 K y 4 000 hasta una presión final de 2 000 Estime el cambio de temperatura y el cambio de entropía del isobutano. El calor específico del isobutano líquido a 360 Las estimaciones de V y pueden encontrarse mediante la K es 2.78 J ecuación (3.52).
6.5.
Se llena un recipiente rígido con agua líquida a 25°C y 1 bar. Si se añade calor al es la presión desarrollada? El agua hasta que su temperatura llega a entre 25 y 50°C es 36.2 X El valor de K a 1 bar y valor promedio de es 4.42 X bar-’ y puede suponerse independiente de P. El volumen específico del agua líquida a es 1.0030
6.6.
Estime el cambio de entropía en la vaporización del benceno a vapor del benceno está dada por la ecuación: 13.8858
La presión de
2 788.51 c + 220.79
Utilice la ecuación (6.53) con un valor estimado de AV Utilice la ecuación de 6.7.
del ejemplo 6.4.
Un flujo de gas propano se parcialmente mediante estrangulamiento, desde fracción del gas se licua en este proceso? La 200 bar y 370 K hasta 1 bar. presión de vapor del propano está dada por la ecuación (6.56) con parámetros: -6.72219, B = 1.33236, = -2.13868,
Problemas
243 6.8.
El estado de sobrecalentado a del vapor? un gas ideal?
de vapor de agua cambia de vapor saturado a a vapor y 1 son los cambios de entalpía y entropía serían los cambios de entalpía y entropía si el vapor de agua fuese
6.9.
El agua líquida muy pura puede subenfriarse a presión atmosférica hasta temperaturas muy por debajo de 0°C. Suponga que 1 kg de agua ha sido enfriado como un líquido hasta -6°C. Ahora se añade un pequeño cristal de hielo (de masa despreciable) como “semilla” al líquido subenfriado. Si los cambios subsecuentes ocurren fracción del sistema se congela y cuál es adiabáticamente a presión atmosférica, es el valor de AS para el proceso y cuál es su caractesu temperatura final? rística irreversible? El calor latente de fusión del agua a 0°C es 333.4 J y el calor específico del agua líquida subenfriada es 4.226 J
6.10. Un sistema de dos fases de agua líquida y vapor de agua que se encuentra en equilicontiene volúmenes iguales de líquido y vapor. Si el volumen total brio a 8 000 0.15 es el valor de la entalpía total y de la entropía total 6.11. Un recipiente contiene 1 kg de que existe como vapor y líquido en equilibrio a 1 000 Si el vapor ocupa 70 por ciento del volumen del recipiente, determine y para 1 kg de 6.12. Un recipiente a presión contiene agua líquida y vapor de agua en el equilibrio a La masa total del líquido y el vapor es 3 (Ib,). Si el volumen de vapor es 50 veces el del líquido, es la entalpía total del contenido del recipiente? 6.13. El vapor húmedo a
tiene una densidad de 0.025 g
Determine
H y
6.14. Un recipiente con un volumen de 0.15 contiene vapor de agua saturado a el cual se enfría hasta Determine el volumen y la masa final del agua en el recipiente. a entalpía constante (al igual que en un 6.15. Se expande vapor húmedo a 1 100 donde su temperatura es de proceso de estrangulamiento) hasta llegar a 101.33 es la calidad del vapor en su estado inicial? 6.16. Se expande vapor a 2 100 y a entalpía constante (al igual que en un es la temperatura del vapor en proceso de estrangulamiento) hasta 125 su estado final y cuál es su cambio de entropía? Si el vapor de agua fuese un gas sería su temperatura final y su cambio de entropía? ideal, 6.17. Se tiene vapor en un estado inicial de 300 y que se expande a entalpía constante (al igual que en un proceso de estrangulamiento) hasta es la temperatura del vapor en su estado final y cuál es su cambio de entropía? Si el sería su temperatura final y su cambio de vapor de agua fuese un gas ideal, entropía? 6.18. Se tiene vapor sobrecalentado que se expande isentrópicamente desde 500 es su entalpía 300°C hasta 50
y
6.19. Un recipiente rígido contiene 0.014 de vapor de agua saturado en equilibrio con de agua líquida saturada a 100°C. Se transfiere calor al recipiente hasta 0.021 fase (líquido o que desaparece una fase, quedando entonces sólo una de ellas. vapor) es la que permanece y cuál es su temperatura y presión? calor se transfiere en el proceso?
CAPÍTULO 6. Propiedades temodinámicas de los fluidos
244 6.20.
es la fracción molar de vapor de agua en el aire que se satura con agua a 25°C y 101.33 50°C y 101.33
6.21.
recipiente con una capacidad de 0.25 se llena con vapor de agua saturado a Si el recipiente se enfría hasta que el 25 por ciento del vapor se condensa, 1 500 calor se transfiere y cuál es la presión final?
6.22. Un recipiente con una capacidad de 2 contiene 0.02 de agua líquida y 1.98 de vapor de agua a 101.33 calor debe añadirse al contenido del recipiente para que se evapore toda el agua líquida? se llena con vapor a 800 6.23. Un recipiente rígido de 0.4 debe transferirse del vapor para llevar su temperatura a 6.24. Un dispositivo
y
contiene un kilogramo de vapor de agua a 800
calor y
Si el vapor experimenta una expansión isotérmica y mecánicamente reversible calor debe absorber? hasta alcanzar 150 Si el vapor experimenta una expansión adiabática reversible hasta 150 es su temperatura y cuánto trabajo realiza? 6.25. Se tiene vapor de agua a 2 000 con una humedad del 6 por ciento. El vapor se calor se requiere por kilogramo? calienta a presión constante hasta 575°C. 6.26. Se tiene vapor de agua a 2 700 con una calidad de 0.90. El vapor experimenta una expansión adiabática reversible, en un proceso donde no hay flujo, hasta 400 Luego se añade calor a volumen constante hasta que se convierte en vapor saturado. Determine Q y W para el proceso. 6.27. Un conjunto contiene cuatro kilogramos de vapor de agua a 400 y 175°C. El vapor experimenta una compresión isotérmica y mecánicamente reversible hasta alcanzar tal presión final como para quedar saturado. Determine Q y W del proceso. 6.28. Un dispositivo contiene un kilogramo de agua a y 1 bar. El agua se comprime mediante un proceso isotérmico y mecánicamente reversible hasta una AH y AS dados = 250 x y K presión de 1 500 bar. Determine Q, W, = 45 X bar-‘. 6.29. Un dispositivo trabaja en un ciclo con vapor de agua como fluido de trabajo y ejecuta las siguientes etapas:
El vapor a 550 presión de 800
y
se calienta a volumen constante hasta alcanzar una
A continuación el vapor se expande, reversible y adiabáticamente, hasta la temperatura inicial de Finalmente, el vapor se comprime mediante un proceso isotérmico y mecánicamente reversible, hasta llegar a la presión inicial de 550 es la eficiencia térmica del ciclo?
6.30. Un dispositivo trabaja en un ciclo con vapor como fluido de trabajo y lleva a cabo las etapas siguientes:
245
Problemas
El vapor saturado a
se calienta a presión constante hasta
A continuación el vapor se expande, adiabática y reversiblemente, hasta la temperatura inicial, que es de Finalmente, el vapor se comprime mediante un proceso isotérmico mecánicamente reversible hasta llegar al estado inicial. es la eficiencia térmica del ciclo?
6.31. En una turbina se expande vapor de agua de manera adiabática y reversible. El y vapor entra a la turbina a 4 000 qué presión de descarga el chorro de salida de la turbina es vapor saturado? qué presión de descarga el chorro de salida es vapor húmedo con una calidad de 6.32. Una turbina de vapor, que funciona reversible y adiabáticamente, toma vapor sobrecalentado a 2 000 y lo descarga a 50 es el sobrecalentamiento mínimo necesario para que no exista humedad en la salida? es la potencia de salida de la turbina si ésta trabaja bajo estas condiciones y la rapidez de flujo de vapor es de 5 kg 6.33. La prueba de operación de una turbina de vapor produce los siguientes resultados. Cuando se alimenta vapor a la turbina a 1350 y la salida de la turbina a 10 es vapor saturado. Si se supone que la operación es adiabática y que los cambios en las energías cinética y potencial son despreciables, determine la eficiencia de la turbina, esto es, el cociente del trabajo real efectuado por la turbina y el trabajo de una turbina que trabaja isentrópicamente a partir de las mismas condiciones iniciales hasta la misma presión de salida. 6.34. Una. turbina de vapor funciona adiabáticamente con una rapidez de flujo de vapor de 25 kg El vapor es alimentado a 1 300 y y se descarga a 40 y 100°C. Determine la potencia de salida de la turbina y la eficiencia de su operación en comparación con la de una turbina que trabaja de manera reversible y adiabática a partir de las mismas condiciones iniciales hasta la misma presión final. 6.35. Sean y los valores de la presión de vapor de saturación de un líquido puro a las temperaturas absolutas y Justifique la siguiente fórmula de interpolación para la estimación de la presión de vapor a un temperatura intermedia T: + 6.36. Suponiendo que la ecuación (6.54) es válida, deduzca estimación del factor acéntrico: 3 7
donde
1-e
de Edmister para la
1
es el punto normal de ebullición y
está en (atm).
6. Propiedades termodinámicas de los fluidos
246
6.37. A partir de datos de tablas de vapor, estime los valores de las propiedades residuales y para el vapor a y 1 600 y compárelos con los obtenidos mediante una correlación generalizada adecuada. 6.38. A partir de los datos contenidos en las tablas de vapor: Determine valores numéricos de y para el líquido y vapor saturados a 1 000 valores deben ser iguales?
c)
Determine los valores numéricos de ser iguales?
y
Encuentre los valores numéricos de
y
a 1 000
Estos valores,
para el vapor saturado a 1000
Estime un valor para a 1 000 y aplique la ecuación de Clapeyron para evaluar a 1 000 qué medida concuerda este resultado con el que aparece en las tablas de vapor? Aplique las correlaciones generalizadas apropiadas para la evaluación de y para el vapor saturado a 1 000 qué medida se comparan estos resultados con los obtenidos en c) 6.39. A partir de los datos de las tablas de vapor: Determine valores numéricos de y para el líquido y vapor saturados a 150 Estos valores, ser los mismos? Determine valores numéricos de ben ser iguales?
a
y y
Estos valores,
c)
Encuentre valores numéricos de
para el vapor saturado a
d)
Estime un valor de a y aplique la ecuación de Clapeyron para evaluar a qué medida concuerda este resultado con el valor que aparece en las tablas de vapor?
Aplique las correlaciones generalizadas apropiadas para la evaluación de y del vapor saturado a qué medida se comparan estos resultados con los obtenidos en c)? 6.40. Estime y para el 1,3-butadieno a 500 Ky 21 bar mediante las correlaciones generalizadas que considere apropiadas. 6.41. Estime de las
correlaciones
para el dióxido de carbono a 400 Ky 200 bar mediante el empleo generalizadas que considere apropiadas.
y para el dióxido de azufre a 450 K y 35 bar mediante el empleo de 6.42. Estime las correlaciones generalizadas que considere apropiadas. 6.43. Se tiene vapor que experimenta un cambio desde un estado inicial a hasta uno final de 140°C y 235 Determine y A partir de los datos de las tablas de vapor. 6)
Mediante las ecuaciones para un gas ideal.
c)
Mediante
correlaciones
generalizadas
apropiadas.
y 3 000
247
Problemas
6.44. Se tiene gas propano a 1 bar y El gas se comprime hasta llevarlo a un estado final de 135 bar y 195°C. Estime el volumen molar del propano en el estado final y los cambios de entalpía y entropía del proceso. En su estado inicial, el propano puede suponerse como un gas ideal. 6.45. Se tiene propano a 70°C y 101.33 El propano se comprime isotérmicamente hasta una presión de 1 500 Estime, para el proceso, AH y AS mediante el empleo de correlaciones generalizadas apropiadas. 6.46. Estime el volumen molar, la entalpía y la entropía del como vapor saturado y como líquido saturado a 380 K. La entalpía y la entropía se hacen igual a cero para el estado de gas ideal a 101.33 y 0°C. La presión de vapor del butadieno a 380 K es 1919.4 6.47. Estime el volumen molar, la entalpía y la entropía como vapor saturado y como líquido saturado a 370 K. La entropía y la entalpía se hacen igual a cero para el estado de gas ideal a 101.33 y 273.15 K. La presión de vapor del n-butano a 370 K es 1 435 6.48. Cinco moles de cloruro de calcio se combinan con 10 moles de agua líquida en un recipiente cerrado y rígido, de alta presión, con una capacidad de 750 El acetileno gaseoso se produce mediante la reacción +
+
Las condiciones iniciales son y 1 bar, y la reacción es completa. Para una temperatura final de determine: La presión final. El calor transferido. A el volumen molar del es 33.0 quier gas presente al inicio en el tanque.
Ignore el efecto de cual-
6.49. Se estrangula gas propileno a 127°C y 38 bar en un proceso de flujo en estado estable hasta alcanzar 1 bar, donde el gas puede suponerse como ideal. Estime la temperatura final del propileno y su cambio de entropía. 6.50. Se estrangula gas propano a 22 bar y 423 K en un proceso de flujo en estado estable hasta alcanzar una presión de 1 bar. Estime el cambio de entropía del propano provocado por este proceso. En su estado final, el propano puede suponerse como un gas ideal. 6.51. Se comprime isotérmicamente gas propano a 100°C desde una presión inicial de 1 bar hasta una presión final de 10 bar. Estime AH y AS. 6.52. Se comprime gas de sulfuro de hidrógeno desde un estado inicial de 400 K y 5 bar hasta un estado de 600 K y 25 bar. Estime AH y AS. 6.53. Se expande dióxido de carbono a entalpía constante (al igual que en un proceso de estrangulamiento) desde 1 600 y hasta 101.33 Estime AS del proceso. 6.54. Un flujo de gas de etileno a 250°C y 3 800 se expande isentrópicamente en una turbina hasta 120 Determine la temperatura del gas expandido y el trabajo producido si las propiedades del etileno se calculan por
248
CAPÍTULO 6.
Propiedades termodinámicas de los fluidos
Ecuaciones de un gas ideal. Correlaciones generalizadas apropiadas. 6.55. Un flujo de etano gaseoso a y 30 bar se expande isentrópicamente en una turbina hasta 2.6 bar. Determine la temperatura del gas expandido y el trabajo producido si las propiedades del etano se calculan por Ecuaciones de un gas ideal. Correlaciones generalizadas apropiadas. 6.56. Estime la temperatura final y el trabajo requerido cuando se comprime trópicamente 1 mol de n-butano en un proceso de flujo estable desde 1 bar y 50°C hasta 7.8 bar.
