Termodinámica

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DEL TACHIRA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

NÚCLEO DE TERMOFLUIDOS

TERMODINÁMICA II

GUIA No. 1: MEZCLAS DE GASES IDEALES

Elaborada y/o recopilada por: Ing. Rubén Arévalo

Para la solución de los siguientes ejercicios considere comportamiento ideal de los gases. Resuélvalos usando los calores específicos a 300 K y también considerando la variación de los calores específicos con la temperatura.

1. Un análisis de los productos de un cierto proceso de combustión arroja la siguiente composición en base volumétrica:

Componente Porcentaje en Volumen

N2 70

CO2 15

O2 11

CO 4

Determine:

a) La composición de la mezcla en base másica.

b) La masa de 0.2 m3 de esta mezcla a la condición de 100 kPa y 20°C.

c) El calor requerido para calentar la mezcla a volumen constante desde el estado inicial hasta 150°C.

2. La mezcla del problema 1 es comprimida en un proceso adiabático reversible en un cilindro desde el estado inicial hasta un volumen de 0.1 m3. Determine la temperatura final y el trabajo para el proceso.

3. Dos tanques rígidos adiabáticos están conectados por una válvula. El tanque A tiene un volumen de 5 m3 e inicialmente contiene oxígeno a 15°C y 400 kPa. El tanque B tiene un volumen de 35 m3 y contiene inicialmente nitrógeno a 35°C y 150 kPa. Se abre la válvula, permaneciendo abierta hasta que la mezcla resultante llega a un estado uniforme. Determine:

a) La presión y la temperatura final.

b) El cambio neto de entropía para el proceso.

4. Una mezcla gaseosa que contiene 50% de argón, 50% de dióxido de carbono, en volumen, está contenida en un cilindro a 300 kPa y 150°C. El gas es expandido hasta 150 kPa en un proceso adiabático reversible. Determine la temperatura final, el trabajo hecho por kmol de mezcla y los cambios de entropía del argón y del CO2 durante el proceso por kmol.

5. Hidrógeno y nitrógeno se mezclan en un proceso adiabático de EEFE en la relación 2 kmol de hidrógeno por kmol de nitrógeno. El hidrógeno entra a 0.5 MPa, 20°C y el nitrógeno entra a 0.5 MPa, 200°C. La presión después de la mezcla es 0.49 MPa. Determine la temperatura de la mezcla y el cambio neto de entropía por kmol de mezcla.

6. Considere la compresión de una mezcla aire-combustible en un motor de combustión interna. Asuma que el combustible es etano, que la relación aire-combustible en base másica es 15 a 1 y que el proceso es adiabático reversible. El motor tiene una relación de compresión (V1/V2) de 9 a 1 y antes que la compresión comience la presión en el cilindro es 88 kPa y la temperatura es 35°C. Determine la presión y la temperatura después de la compresión y el trabajo de compresión por kg de mezcla.

7. Un tanque adiabático de 100 L contiene nitrógeno gaseoso a 200 kPa y 25°C. Dióxido de carbono a 600 kPa, 90°C fluye desde una tubería hacia el tanque hasta que la presión en el interior del mismo es 400 kPa, en cuyo momento se cierra la válvula. Determine la temperatura final en el tanque y el cambio neto de entropía para el proceso.

8. 0.79 kmol de nitrógeno a 100 kPa y 25°C están separados de 0.21 kmol de oxígeno a 100 kPa y 25°C por una membrana. La membrana se rompe y los gases se mezclan en un proceso adiabático para formar una mezcla uniforme. Determine el cambio de entropía de la mezcla por kmol.

9. Un recipiente rígido adiabático está dividido en dos partes por una membrana. Una parte contiene 0.5 kg de aire a 0.4 MPa y 80°C. La otra parte del recipiente, de 0.1 m3 de volumen, contiene 1 kg de CO2 a 0.8 MPa. Se rompe la membrana y se alcanza el equilibrio. Considerando que ambos gases se comportan idealmente, determine:

a) Presión y temperatura finales.

b) Presión parcial final de cada gas.

c) ¿Viola este proceso la segunda ley de la termodinámica?

10. Un dispositivo cilindro/pistón contiene helio a 110 kPa, a la temperatura ambiente de 20ºC y con un volumen de 20 L, como se muestra en la figura. Los topes permiten un volumen máximo en el cilindro de 25 L y las condiciones del nitrógeno en la línea son 300 kPa, 30ºC. Se abre la válvula, permitiendo que el nitrógeno fluya hacia el cilindro y se mezcle con el helio. La válvula se cierra cuando la presión interna es 200 kPa, momento en el cual la temperatura es 40ºC. Considere que tanto el helio como el nitrógeno se comportan como gases ideales durante todo el proceso. ¿Viola este proceso la segunda ley de la termodinámica?

11. Dos tanques aislados térmicamente A y B están conectados por una válvula. El tanque A tiene un volumen de 1 m3 e inicialmente contiene argón a 2 MPa y 300 K. El tanque B tiene un volumen de 3 m3 e inicialmente contiene dióxido de carbono a 625 kPa y 900 K. La válvula se abre y se forma una mezcla uniforme. Determine:

a) La temperatura y la presión final de la mezcla.

b) El cambio de entropía asociado a cada componente y el cambio neto de entropía para el proceso.

12. Un tanque adiabático de 200 L contiene nitrógeno gaseoso a 200 kPa y a la temperatura ambiente de 25°C. El tanque está conectado a través de una válvula a una línea de suministro por donde fluye dióxido de carbono a 1,2 MPa y 90°C. Se desea obtener una mezcla de 50% de nitrógeno y 50% de dióxido de carbono en base molar, para lo cual debe abrirse la válvula y cerrarse cuando dentro del tanque se alcanza una determinada presión. ¿Cuál es esta presión? El tanque eventualmente se enfría hasta la temperatura ambiente. Determine el cambio neto de entropía durante el proceso completo.

RESPUESTAS

1. 63.56%, 21.4%, 11.41%, 3.63%, 0.253 kg, 23.5 kJ.

2. 107.5°C, -15.8 kJ

3. 181.2 kPa, 302.3 K, 16.721 kJ/K

4. 346.7 K, 1576 kJ/kmol, 1.6206 kJ/kmolK, -1.6206 kJ/kmolK

5. 353.9 K, 6.228 kJ/kmolK

6. 1803 kPa, 701.8 K, -301 kJ/kg

7. 374.7 K, 0.0993 kJ/K

8. 4.273 kJ/kmolK

9. 584.86 kPa, 398.5K, 252.35 kPa, 332.21 kPa, ΔSN=0.2418 kJ/K: no viola la segunda ley.

10. ΔSN=0.01757 kJ/K: no viola la segunda ley.

11. CEC: 551.18 K, 1205.71 kPa, 15.3245 kJ/K, -2.9316 kJ/K, 12.3929 kJ/K

CEV: 608.34 K, 1330.75 kPa, 16.3111 kJ/K, -3.5229 kJ/K, 12.7882 kJ/K

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