Trabajo Colaborativo Termodinamica

TRABAJO COLABORATIVO 1

TERMODINAMICA

RUBEN DARIO MUNERA TANGARIFE

TUTOR

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD

ESCUELA DE CIENCIAS AGRÍCOLAS, PECUARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE

PROGRAMA DE INGENIERIA AMBIENTAL

18 DE OCTUBRE 2012

CONTENIDO

Página

INTRODUCCIÓN 3

1. OBJETIVOS 4

1.1 Objetivo General 4

1.2 Objetivos Específicos 4

2. DIEZ EJEMPLOS DE SISTEMAS TERMODINÁMICOS EN EL HOGAR CON EL CÁLCULO DE SUS CONSUMOS ENERGÉTICOS 5

3. COMPARACIÓN DEL CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA CON EL CONSUMO DE GAS PARA HERVIR UN LITRO DE AGUA 11

4. DIEZ EJEMPLOS EN EL HOGAR O EMPRESA EN DONDE SE REALICE UN CÁLCULO DE TRABAJO EN SISTEMAS ISOTÉRMICO, ISOBÁRICO, ISOCÓRICO Y ADIABÁTICO 12

CONCLUSIONES 19

BIBLIOGRAFÍA 20

INTRODUCCIÓN

La termodinámica es la rama de la física que estudia la energía, la transformación entre sus distintas manifestaciones, es así como en muchas situaciones de nuestra vida cotidiana vamos a encontrar innumerables casos de termodinámica ante los cuales no estamos conscientes pero son tan normales en nuestras vidas como lo puede ser el hecho de calentar algún alimento, poner a enfriar un jugo en la nevera, abrir una ventana para enfriar una habitación, encender un motor de un vehículo, recibir el calor del sol en las mañanas; es así como durante el siguiente documento trataremos de analizar varios ejemplos de nuestra vida cotidiana para estudiarlos y determinar como estos procesos trasforman y transmiten gran cantidad de energía con tan solo variar un poco la temperatura.

1. OBJETIVOS

1.1 Objetivo General

Mediante el uso de la teoría de la termodinámica se determinaran en casos de la vida real su aplicación y evaluación de consumos energéticos, así como aplicación de la Ley Cero, Trabajo y Primera Ley de la Termodinámica.

1.2 Objetivos Específicos

Determinar matemáticamente mediante el uso de la teoría y las ecuaciones de Termodinámica el consumo energético en algunos casos de la vida cotidiana.

Analizar el consumo energético para un caso en donde se utilice energía eléctrica y gas domiciliario.

Analizar las variaciones y plantear situaciones ideales que permitan el estudio apropiado de los casos de termodinámica, reconociendo las diferencias entre isotérmico, isobárico, isocórico y adiabático; aplicado a ejemplos de la vida real.

2. DIEZ EJEMPLOS DE SISTEMAS TERMODINÁMICOS EN EL HOGAR CON EL CÁLCULO DE SUS CONSUMOS ENERGÉTICOS

Ejemplo 1:

A una taza de te recién preparado (150 gr.) con agua hirviendo se le agrega un poco de leche fría a 2ºC sacada del refrigerador. ¿Cuánta leche debo agregar para que el té con leche quede a 85ºC? Cp del agua = 1 cal/gr. K y Cp de la leche = 0.8 cal/gr. K

Solución

Se aplica la primera ley para sistemas cerrados (masa inicial 150gr. + mL)

dU = ∂Q - ∂w

dH – PdV – VdP = ∂Q - PdV

PdV se cancelan y VdP se anula porque dP=0 P es cte.) ∂Q = dH

y si suponemos que no hay pérdidas de calor dH=0

Como hay dos sustancias l(leche y agua) es conveniente separa el proceso en dos: “lo que le pasa” al agua y “lo que le pasa” a la leche:

∆H = ∆HA + ∆HL

∆H = mA∆HA+mL∆L=0

Donde Q=c.m.∆T se despeja mL quedando

mL = -mA [∆HA/∆HL] = -mA [ČPA(T2A-T1A)/ ČPL(T2L-T1L)]

Reemplazando valores:

m_A=150gr

C_PA=1cal/gr

C_PL=0.8cal/gr

T_1A=100ºC=373ºK

T_2A=85ºC=358ºK

T_1L=2ºC=275ºK

T_2L=85ºC=358ºK

m_L=-150*[(1*(358-373))/(0.8*(358-275) )]

m_L=33.89gr

Ejemplo 2:

Debo calentar 1 lt. (1 Kg.) De agua contenida en una tetera desde la temperatura del agua de la llave (T1) hasta que el agua hierva (T2). T1=20ºC y T2=100ºC

a) ¿Cuánta energía en forma de calor debo agregar?

Solución

partimos de la ecuación Q=c.m.∆T

Con T1=20ºC (293K), T2=100ºC=373K y ČP=1 (cal/gr. K), resulta

Q=1000gr*1cal/grK*(373ºk-293ºk)

Q = 80000 cal

Ejemplo 3: Se calentó un carbón para un asado sobre una mesa cuya superficie es de mármol y su masa es de 20 kg, si la temperatura a la que ha quedado es de 150ºC , determinar el calor perdido hasta que la placa de la mesa de mármol llegue a la temperatura ambiente de 20ºC.

Solución

Partimos de la ecuación Q=c.m.∆T

Con T1=20ºC (293K), T2=100ºC=373K y Čm=0.21 (cal/gr. K), resulta

Q=20000gr*0.21cal/grK*(293ºk-423ºk)

Q = 546000 cal

Ejemplo 4:

Debo enfriar 250 ml. de jugo (aprox 0.25 Kg.) contenido en un envase desde la temperatura ambiente (T1) 26ºC, hasta los 4ºC (T2). T1=26ºC y T2=4ºC

a) ¿Cuánta energía en forma de calor debe perder el jugo?

Solución

a) Partimos de la ecuación Q=c.m.∆T

Con T1=20ºC (293K), T2=100ºC=373K y ČP=1 (cal/gr. K), resulta

Q=1000gr*1cal/grK*(373ºk-293ºk)

Q = 80000 cal

Ejemplo 5:

Se ha calentado una tasa de café hasta los 60ºC, suponiendo que el material del envase esta hecho de material adiabático y tiene contacto con el aire en la parte superior de 0.0007m2, determinar la tasa de trasferencia de calor si la temperatura final del café será la temperatura ambiente 26ºC.

a) ¿Cuánta energía en forma de calor debo agregar?

Solución

Area de contacto de cafe con aire= 0.0007m2

K aire=200W/mk

Tº1=60ºc

Tº2=26ºc (temperatura ambiente)

Q=K*A*(Tº1-Tº2)

Q=4.8w (tasa de transferencia)

Ejemplo 6:

En la oficina hay una pared que siempre le llegan los rayos solares de la tarde, en cierto punto en la parte exterior se puede medir una temperatura de 50ºC y al interior una temperatura de 25ºC, si la pared mide 3.0mX2.4mm, 20 cm de espesor y una conductividad térmica de 0.7W/(mK), determine la tasa de transferencia de calor.

Solución

Partimos de la ecuación Q=k1.A.∆T/∆x

Q=0.7(W/mK)*(3m*2.4m)*(25k/0.2m)

Q = 630w

Ejemplo 7:

En la casa hay una ventana por la cual ingresa una gran cantidad de calor, las medidas de la ventana son 2.5mX1.4m y 4mm de espesor, hallar la variación de calor en la unidad de tiempo si la temperatura exterior del vidrio es de 35ºC y la temperatura interior es de 20ºC.

Solución

Partimos de la ecuación H=k1.A.∆T/∆x

Área ventana=3.5m2

K1= 0.84

H=0.84(W/mK)*(3.5m2)*(15k/0.004m)

Q = 11025J/s

Ejemplo 8:

En un termo adiabático se genera una expansión de 0.2 L de aire a 300 kPa y 30 °C. Cuál será la variación de energía interna cuando la presión es de 200 kPa?.

Solución:

γ_aire=1.4

V_2=V_1 〖(300kPa/200kPa)〗^(1/γ_aire )=0.27 L

W_2=(200kPa(0.276)-300kPa(0.2))/(-0.4)=15 J

Dado que el sistema es adiabático, el calor es cero

0-W=∆U

-15 J=∆U

Ejemplo 9:

Mi hogar recibió cierta cantidad de energía en el mes de julio reflejada en un costo fijo de 12165 pesos, si el costo unitario es 675.848 pesos/m3 , cuanta energía recibió mi hogar en el mes de julio?

Solución:

12165pesos((1m^3)/(675.848 pesos))=18 m^3

Debemos primero tener el calor de combustión en volumen

calor combustion=215 Kcal/mol (1mol/16g)(0.000717g/(1cm^3 ))((1000000cm^3)/(1m^3 ))=9635Kcal/m^3

Por lo tanto

18m^3 (9635Kcal/m^3 )=173424 Kcal

Ejemplo 10:

Un gas se encuentra a 0.8 atm y 27 ºC y tiene una masa molar de 87 g/mol.

¿Cuál es el volumen específico de este gas, en litros/kg?,

Solución:

De la ecuación de los gases ideales con el volumen especifico explicitado, tenemos ya todos los datos para hacer el calculo:

Pv=RT/M

v=RT/PM=(8.314 (m^3 pa)/(mol k)*300K)/([0.8atm 101325pa/1atm]*87 g/mol)=0.00035 m^3/g [(1000g*1000L)/(1kg*〖1m〗^3 )]=353.45 L/Kg

3. COMPARACIÓN DEL CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA CON EL CONSUMO DE GAS PARA HERVIR UN LITRO DE AGUA

Para realizar esta comparación respecto al calentamiento de un litro de agua, ya previamente teníamos el valor energético de este calentamiento 80000cal. Por tanto lo faltante es extrapolar este dato al valor en gas y en energía eléctrica.

Gas

Tenemos 80kcal

Este es el calor que ofrece el gas en su combustión, así mismo de la factura del gas tenemos el valor del metro cubico en 675.848 pesos/m3

80Kcal m^3/9635Kcal=0.0083 m^3

0.0083 m^3 ((675.848 pesos)/(1 m^3 ))=5.61 pesos

Eléctrico

De la factura de energía tenemos el valor del kwh en 272.14 pesos/Kwh

80 Kcal(4.187Kj/1Kcal)=334.96 Kj

272.14 pesos/kWh (1kWh/(1KJh/seg (3600seg/1h) ))=0.076 pesos/kJ

334.96 Kj(0.076 pesos/kJ )=25.45 pesos

Es evidente que el gas es más barato,

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