Primera Ley de Termodinámica

Primera Ley de Termodinámica

Instrucciones: Responda argumentadamente las siguientes interrogantes:

• En un día cálido de verano, un estudiante pone en marcha su ventilador cuando sale de su habitación por la mañana. Cuando regrese por la tarde, ¿el cuarto estará más caliente o más fresco que los cuartos vecinos? ¿Por qué? Suponga que todas las puertas y ventanas se mantienen cerradas.

Respuesta: Cabe señalar que cada habitación es un sistema cerrado y sólo en la habitación del estudiante se ve interferida por el incremento de energía al dejar en funcionamiento el ventilador, pero el aire que este impulsa es el mismo aire que está encerrado dentro de la habitación, por lo que la temperatura no lograría bajar y el cuarto no se encontraría más fresco que los demás al momento en que el estudiante vuelva; es más, el cuarto estará más caluroso que los demás, ya que el funcionamiento del ventilador está generando un trabajo y este la liberación de calor.

• Un difusor es un dispositivo adiabático que disminuye la energía cinética del fluido al desacelerarlo. ¿Qué sucede con esa energía cinética perdida?

Respuesta: 

      Como sabemos la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma y en este caso la energía cinética es transformada en energía interna del fluido, ya que, la tasa de transferencia de calor entre el fluido y los alrededores comúnmente es muy pequeña (Q=0), los difusores por lo común no implican la realización de trabajo (W=0) y cualquier cambio de energía potencial resulta insignificante (Ep=0). Por ende cualquier cambio en la energía cinética del fluido repercute directamente en la energia interna del mismo.

• ¿Cómo se comparan las energías de un fluido que fluye y un fluido en reposo?

          Un fluido como elemento tal posee y recibe energia y para un sistema simple compresible, la energía total de este consta de tres componentes: energía interna (U), energía cinética (EC) y energía potencial (EP). Sin embargo, cuando se trata de un fluido en movimiento, además de estos componentes se suma la energía de flujo expresada como P. V o cuando se analiza por unidad de masa P. v.

Energía total para un fluido estático: e = u + ec + ep.

Energía total para un fluido en movimiento: 0 = P V + u + ec+ ep

• Alguien propone el siguiente sistema para enfriar una casa durante el verano: comprimir el aire exterior normal, dejarlo enfriar a la temperatura exterior, pasarlo por una turbina e introducirlo en la casa. Desde el punto de vista termodinámico, ¿es lógico el sistema que se propone? Argumente su respuesta.

    Si el objetivo es el enfriar una casa este sistema no tiene lógica de aplicación, ya que, principalmente la turbina no tiene incidencia en el cambio de un fluido (ya sea aumentando la velocidad de este, o su presión, etc.), en realidad es todo lo contrario, esta necesita de un fluido para realizar un trabajo el que es trasmitido a traves de un eje que puede rotar (produce potencia). Además la transferencia de calor para las turbinas y los compresores por lo general es insignificante (Q=0). cuenta. A raíz de esto, el balance de energía para estos dispositivos se expresa como:    Ẇsistema = ṁ (h1 − h2)

• Aire fluye de manera estacionaria a 300 k y 100 KPa en un secador de cabello, que tiene una entrada de trabajo eléctrico de 1500 W. Debido al tamaño de la toma de aire, la velocidad de entrada del aire es despreciable. La temperatura y la velocidad del aire a la salida del secador son 80 °C y 21 m/s, respectivamente. El proceso de flujo es tanto a presión constante como adiabático. Suponga que el aire tiene calores específicos constantes evaluados a 300 K.
• Determine el flujo másico del aire del secador, en Kg/s.
• Determine el flujo volumétrico del aire a la salida del secador, en m3/s.

[pic 1][pic 2]

Respuesta:

Primera ley termodinámica

 y  son despreciables al igual que ; también es un sistema adiabático; por lo tanto,

Entonces, queda:

A presión constante:

Entonces:

Densidad de aire a 80 °C es =

• Una mezcla de líquido y vapor de agua saturados, llamada vapor húmedo, fluye en una línea de suministro de vapor de agua a 1500 KPa y se estrangula hasta 50 KPa y 100 °C. ¿Cuál es la calidad de vapor de agua en la línea de suministro?

[pic 3][pic 4]

Respuesta:

La entalpía para vapor de agua saturada se obtiene de la tabla A-6, con los valores de  y

Para la presión de 1500 KPa obtenemos los datos de la tabla A-5, para

  y

Aplicamos la fórmula de calidad

• Por una turbina adiabática pasa un flujo estacionario de vapor de agua. Las condiciones iniciales del vapor son de 4 MPa, 500 °C y 80 m/s en la entrada, y en la salida son 30 KPa, 92 por ciento de calidad y 50 m/s. El flujo másico del vapor es 12 Kg/s. Determine:
• El cambio de energía cinética.
• La potencia desarrollada por la turbina.
• El área de entrada de la turbina.

[pic 5][pic 6]

Respuesta:

Cambio

b.-

Al ser un sistema adiabático ; además, no se considera la energía potencial.

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