Tarea S4 Termo/iacc 6v4d4b

Segunda Ley de Termodinámica, Entropía y Exergía. Sebastián Molina Calderón Termodinámica Instituto IACC 9/septiembre/2018

Desarrollo

INSTRUCCIONES: 1. Leer la tarea: Segunda Ley de Termodinámica y Entropía 2. Leer contenidos de la semana 4. 3. Revisar el material complementario disponible en recursos adicionales. 4. Las respuestas a las preguntas de la tarea deben ser una elaboración propia. Usted se apoyará en los contenidos de la semana y también puede hacerlo con otros textos, pero siempre debe identificar los autores y citar las fuentes. Recuerde agregar la bibliografía al final de la tarea en formato APA. Cuide su redacción y ortografía. Puede consultar en el Foro Novedades el documento de Normas APA. DESARROLLO DE LA TAREA: Responda fundamentada mente las siguientes interrogantes:

a) Describa un proceso imaginario que satisfaga la primera ley pero que viole la segunda ley de la termodinámica. Respuesta: Una plancha a vapor, se le suministra energía eléctrica y agua y la transforma en trabajo interno, vapor de agua. b) ¿Cuáles son los cuatro procesos que constituyen el ciclo de Carnot? Respuesta: el ciclo de Carnot se define como un proceso cíclico reversible, que utiliza un gas perfecto, los cuatro procesos que constituyen el ciclo de Carnot son: 1) Expansión isotérmica (que transcurren sin cambio de temperatura) 2) Expansión adiabática. (que transcurren sin cambio de calor)

3) Compresión isotérmica (que transcurren sin cambio de temperatura) 4) Compresión adiabática (que transcurren sin cambio de calor) c) Considere dos plantas eléctricas reales que operan con energía solar. Una planta recibe energía de un estanque solar a 80 °C, y la otra la recibe de colectores concentradores que elevan la temperatura del agua a 600 °C. ¿Cuál de estas plantas eléctricas tendrá una eficiencia más alta? Explique. Respuesta: Para este caso la planta eléctrica que tendrá una eficiencia más alta es la que recibe de colectores concentradores que elevan la temperatura a 600°C, lo dice la eficiencia de Carnot, “para mejorar la eficiencia máxima posible, se debe emplear la fuente de mayor temperatura posible”. 

Se usa una bomba de calor para mantener una casa a una temperatura constante de 23°C. La casa pierde calor hacia el aire exterior a través de las paredes y las ventanas a una tasa de 85,000 kJ/h, mientras que la energía generada dentro de la casa por las personas, las luces y los aparatos domésticos es de 4,000 kJ/h.

Para un COP de 3,2, determine la potencia necesaria para la operación de bomba de calor.

Respuesta: Datos:

Tc = 23°C Tasa de calor = 85,000 KJ/h Energía generada = 4,000 KJ/h COP = 3,2 W = ¿? Lo primero que debemos hacer es convertir de KJ/h a KW, sabiendo que, W= QH / COP 1KW= 3,600 KJ/h 85,000 KJ/h – 4,000KJ/h = 81,000 KJ/h Regla de 3. 1KW – 3,600KJ/h X?

- 81,000 KJ/h

X = [(81,000KJ/h) (1KW)]/3,600KJ/h X = 22,5 KW QH = 22,5 KW W = 22,5 KW / 3,2 W = 7,031 KW



Se usa un acondicionador de aire con refrigerante 134a como fluido de trabajo para mantener un dormitorio a 23 °C, rechazando el calor de desecho al aire exterior a 37 °C. El cuarto gana calor a través de las paredes y las ventanas a razón de 250 kJ/min,

mientras que el calor generado por la computadora, la TV y las luces es de 900 W. El refrigerante entra al compresor a 400 kPa como vapor saturado a razón de 100 L/min y sale a 1.200 kPa y 70 °C. Determine: a) El COP real b) El COP máximo c) El flujo volumétrico mínimo del refrigerante en la entrada del compresor para las mismas condiciones de entrada y salida del compresor.

Respuesta: a) El COP real. COPR = 𝑊

𝑄𝑏 𝑛𝑒𝑡𝑜;𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

KJ

KJ

COPr = 250min + (0,9seg × Balance de energía. 𝑚̇h1 + wentrada =|𝑚̇h2

60 seg 1 min

KJ

) = 304 min

Wentrada= 𝑚̇(h2 – h1) 1

𝑚̇ = 𝑣

𝑔 𝑎 400𝑘𝑃𝑎

V

Vg a 400 kPa Tabla termodinámica A-12, refrigerante 134a saturado, tabla de presión. m3

1

𝑚̇ = 0,051201

m3 kg

kg

(0.1min) = 1,95 min

h1=hg a 400 v (g a 400kPa) kPa =255,55 KJ/kg Tabla termodinámica A-13, refrigerante 134a sobrecalentado. h2= hg a 1200kPa= 300,11 KJ/kg wentrada =(1.95 kg/min)×(300.11-255.55) KJ/kg wentrada = 86,9 KJ/min COPR = 𝑊

𝑄𝑏 𝑛𝑒𝑡𝑜;𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

=

KJ min kj 86.9 min

304

=

COPR =3,5 b) El COP máximo. 1

𝐶𝑂𝑃𝑅 𝑑𝑒 𝐶𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡=

Ta Tb

-1

1

𝐶𝑂𝑃𝑅 𝑑𝑒 𝐶𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡= 310

-1

= 21.143

296

C) 𝑉̇L/min COPR = 𝑊

𝑄𝑏 𝑛𝑒𝑡𝑜;𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

𝑊̇ entrada neto=

mmin =

KJ min

304

21,14 KJ min

= KJ

=14.38min

14,38

KJ (300.11−255.55) min

KJ

= 0.322min

𝑉̇ min = 𝑚̇vg a 400kPa 𝑘𝑔 1000L L 𝑉̇ min =(0.322𝑚𝑖𝑛)( 0,051201m2 )( 1m2 )=16,48min kg

Un dispositivo aislado de cilindro-émbolo contiene 5 L de agua líquida saturada a una presión constante de 150 kPa. Un calentador de resistencia eléctrica dentro del cilindro se enciende y se transfiere una energía de 2.200 kJ al agua. Determine el cambio de entropía del agua durante este proceso. Respuesta: Datos: V =5L P =150 kPa W= 2.200KJ Paso 1. Con el dato de presión, sacamos de la tabla termodinámica A5, agua saturada, tabla de presiones vf, hf y sf V1 = 0.001053m3/kg h1 = 467.13 KJ/kg s1 = 1.4337 KJ/kg *K

Paso 2. Calcular la masa. 𝑉

0.005m3

m =𝑣 = 0.001053m3/kg =4.75 kg 𝑓

Paso 3. Balance de energía. we =m (h2-h1) Despejamos h2 𝑤

h2=h1 + 𝑚𝑒 = 467.13 KJ/kg +

2.200KJ 4.75kg

=930.33KJ/kg

Paso 4. Con la presión 2 y la entalpía 2, calculamos primero la calidad 2 y luego la entropía. h2−h

x2 =

f

hfg

=

930.33−467.13 2226

=0.2080 KJ

s2 =sf +x2sfg= 1.4337+ (0.2080)(5.7894)= 2.6378kg *K Paso 5. Calculamos el cambio de entropía del agua durante este proceso. 4.75𝑘𝑔(2.6378−1.4337)𝐾𝐽

Δs =m (s2 –s1) =

𝑘𝑔𝐾

= 5.71KJ/K

Se expande vapor de agua de una manera estacionaria en una turbina a un flujo másico de

40.000 kg/h, entrando a 8 MPa y 500 °C y saliendo a 40 kPa como vapor saturado. Si la potencia generada por la turbina es de 8,2 MW, Determine la tasa de generación de entropía para este proceso. Suponga que el medio ambiente está a 25 °C.

Respuesta: Datos: P1= 8MPa T1= 500°C h1= 3399.5 KJ/kg s2= 6.7266 KJ/kg*K P2=40kPa Sat.vapor h2= 2636.1 KJ/kg s2=7.6691 KJ/kg*K Eentrada -Esalida =Δsistema= 0 Eentrada= Esalida 𝑚̇1h1=𝑄̇ salida+𝑊̇ salida + 𝑚̇h2 𝑄̇ salida = 𝑚̇(h1 – h2) - 𝑊̇ salida

𝑄̇ salida = (40000/3600kg/s) (3399.5 - 2636.1)KJ/kg – 8200KJ/s =282.14KJ/s 𝑠̇ entrada- 𝑠̇ salida+ 𝑠̇ gen =Δ𝑠̇ sistema= 0 𝑚̇s1 - 𝑚̇s2 - 𝑄̇ salida/Tb,sur + 𝑠̇ gen = 0 𝑠̇ gen = 𝑚̇s1 - 𝑚̇s2 - 𝑄̇ salida/Tb,sur 𝑠̇ gen = (40000/3600kg/s)(7.6691- 6.7266)KJ/kg*K + 282.14kW/298K 𝑠̇ gen = 11.41kW/K

Un dispositivo aislado de cilindro-émbolo contiene inicialmente 20 L de aire a 140 kPa y 27 °C. Ahora se calienta aire durante 10 minutos mediante un calentador de resistencia de 100 W colocado dentro del cilindro. La presión del aire se mantiene constante durante este proceso, y el entorno está a 27 °C y 100 kPa. Determine la Exergía destruida durante este proceso. Respuesta: Datos: 𝑄alred To

Xdestruida =To Sgen=To m (s2 – s1)+

Xdestruida = 300K 20kg (2,58810 -1.70203)kJ/kg*K) + 100kJ/300K Xdestruida = 7320KJ

Bibliografía Recursos adicionales: Tablas de propiedades termodinámicas, glosario de la semana, ejemplos y ejercicios resueltos, formulario. IACC (2018). Segunda Ley de Termodinámica y entropía. Termodinámica. Semana 4.