ingenieria quimica

1. Universidad Nacional de Colombia 1 Taller
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingenier´ıa
Departamento de Ingenier´ıa Qu´ımica y Ambiental
Termodin´amica
Nombre: C´odigo: Fecha:
1. Responda F o V cada una de las siguientes afirmaciones:
Suponga que la presi´on de los alrededores para diferentes fluidos es igual. Si esa presi´on se duplica repentinamente,
la energ´ıa requerida para evaporar todos los fluidos ser´a mnemor que la requerida en la condici´on inicial. ( )
Un sistema cerrado impide el intercambio de materia, y puede o no tener una pared adiab´atica. ( )
Un sistema abierto permite el intercambio de energ´ıa y puede o no tener una pared permeable. ( )
Una pared r´ıgida siempre implica equilibrio mec´anico. ( )
Un sistema aislado puede tener una pared m´ovil. ( )
Un volumen de control es aquel que contiene una cantidad de materia y ´esta puede entrar o salir de ´el. ( )
Las propiedades intensivas pueden volverse extensivas dividiendo por una cantidad de materia (masa o moles). (
)
La temperatura es un claro ejemplo de una propiedad intensiva mientras que el volumen espec´ıfico es un ejemplo
de una propiedad extensiva. ( )
Una sustancia no puede tener varios puntos triples. ( )
Partiendo de una regi´on de dos fases para el agua, si la temperatura aumenta y quisiera mantener esta sustancia
en un equilibrio l´ıquido - vapor la presi´on deber´ıa aumentar. ( )
Para el agua es posible llevar a cabo un cambio de fase de vapor a l´ıquido sin cruzar por una regi´on de dos fases.
( )
Para un proceso cualquiera en el que participe un gas ideal, la presi´on y el volumen del gas siempre son inversamente
proporcionales. ( )
Un fluido incompresible es aquel para el cual κ y β son iguales a cero. ( )
Teniendo presente que la presi´on y la temperatura en el punto triple para el agua son 0.6113 kpa y 0,01◦
C
respectivamente, mediante un calentamiento isob´arico a 0.005 atm es posible sublimar el hielo. ( )
En el punto triple es posible distinguir las fases presentes. ( )
La idealizaci´on de fluido incompresible es bastante precisa incluso en condiciones cercanas al punto cr´ıtico. ( )
El factor de compresibilidad es una medida cualitativa de la desviaci´on de la idealidad. ( )
La calidad solo est´a definida para un equilibrio l´ıquido - vapor. ( )
2. Un estudiante afirma que tanto la temperatura como la presi´on son propiedades extensivas, y para demostrarlo propone
los siguientes ejercicios sencillos:
Un conjunto cilindro - pist´on contiene un mol de un gas ideal cuyas condiciones son V = 5L y T = 300K. Luego
se adiciona masa al sistema para un total de 3 moles, mientras las dem´as condiciones permanecen constantes ( T
= 300K y V = 5L).
Un conjunto cilindro pist´on contiene un mol de un gas ideal cuyas condiciones son P = 5atm y V = 15L. Luego
se adiciona masa al sistema para un total de 3 moles, mientras las dem´as condiciones permanecen constantes ( P
= 5atm y V = 15L).
A partir de estos planteamientos es posible demostrar, seg´un dice el estudiante, que la presi´on y la temperatura son
extensivas pues los valores de ambas propiedades cambian al variar la cantidad de materia en el sistema (lo cual se
verifica calculando las presiones y temperaturas en cada caso, al tener un mol y 3 moles respectivamente). Est´a usted
de acuerdo con esta afirmaci´on?, Explique.
3. Un conjunto cilindro-pist´on (sistema cerrado) se llena con agua a 120◦
C y volumen espec´ıfico 0.001058 m3
/kg (estado
1). Posteriormente se calienta a presi´on constante hasta alcanzar una calidad de 75 % (estado 2). Luego, de manera
isot´ermica se alcanza un volumen espec´ıfico final de 0.07353 m3
/kg (estado 3). Responda:
La fase en el estado 1 es:
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La fase en el estado 2 es:
La fase en el estado 3 es:
La calidad en el estado 1 es: y en el estado 3 es: (R/: Ninguna est´a definida)
La presi´on en en los estados 1, 2 y 3 es : (R/: 5000 kPa, 5000 kPa y 3000 kPa)
La temperatura en el estado 2 es: y en el estado 3 es: (R/: 263.99◦
C en los dos estados)
El volumen espec´ıfico en el estado 2 es: (R/: 0.0298985 m3
/kg)
Las temperaturas y presiones a las que ocurren los cambios de fase son: (R/: Los cambios de fase ocurren a
5000 kPa y 263.99◦
C)
Represente los 3 estados en los diagramas P-v, T-v indicando las temperaturas, presiones y vol´umenes correspon-
dientes
4. Un conjunto cilindro-pist´on (sistema cerrado) se llena con agua a 300kPa y 800◦
C (estado 1). Posteriormente se enfr´ıa
a volumen constante hasta alcanzar una calidad de 48.5 % (estado 2). Finalmente de manera isot´ermica se alcanza un
volumen espec´ıfico de 0.001017m3
/kg (estado 3). Responda:
La fase en el estado 1 es:
La fase en el estado 2 es:
La fase en el estado 3 es:
La calidad en el estado 1 es: y en el estado 3 es: (R/: Ninguna est´a definida)
La presi´on en el estado 2 es: y en el estado 3 es: (R/: 47.504 kPa y 27589.47 kPa)
La temperatura en el estado 2 es: y en el estado 3 es: (R/: 80.054◦
C en los dos estados)
El volumen espec´ıfico en el estado 1 es: y en el estado 2 es: (R/: 1.64994 m3
/kg en los dos estados)
Las temperaturas y presiones a las que ocurren los cambios de fase son: (R/: El primer cambio de fase
ocurre a 103.066 kPa y 100.45◦
C y el segundo cambio ocurre a 80.054◦
C y 47.504 kPa)
Represente los 3 estados en los diagramas P-v, T-v indicando las temperaturas, presiones y vol´umenes correspon-
dientes
5. Un conjunto cilindro-pist´on (sistema cerrado) se llena con agua a 100◦
C y volumen espec´ıfico 0.001042 m3
/kg (estado
1). Posteriormente se enfr´ıa a volumen constante hasta alcanzar una calidad de 0.000305 % (estado 2). Finalmente se
calienta a presi´on constante hasta alcanzar una temperatura de 400◦
C (estado 3). Responda:
La fase en el estado 1 es:
La fase en el estado 2 es:
La fase en el estado 3 es:
La calidad en el estado 1 es: y en el estado 3 es: (R/: Ninguna est´a definida)
La presi´on en los estados 1, 2 y 3 es: (R/: 3500 kPa, 18.18 kPa y 18.18 kPa)
La temperatura en el estado 2 es: (R/: 57.89◦
C)
El volumen espec´ıfico en el estado 2 es: y en el estado 3 es: (R/: 0.001042 m3
/kg y 25.9800m3
/kg)
Las temperaturas y presiones a las que ocurren los cambios de fase son: (R/: El primer cambio de fase
ocurre a 92.93 kPa y 97.5◦
C y el segundo cambio ocurre a 18.18 kPa y 57.89◦
C)
Represente los 3 estados en los diagramas P-v, T-v indicando las temperaturas, presiones y vol´umenes correspon-
dientes
6. Un conjunto cilindro-pist´on (sistema cerrado) se llena con agua a 70◦
C y volumen espec´ıfico 0.001019 m3
/kg (estado 1).
Posteriormente se calienta a presi´on constante hasta alcanzar una calidad de 95 % (estado 2). Luego se sigue calentando
de manera isoc´orica hasta alcanzar una presi´on final de 15000kPa (estado 3). Responda:
La fase en el estado 1 es:
La fase en el estado 2 es:
La fase en el estado 3 es:
La calidad en el estado 1 es: y en el estado 3 es: (R/: Ninguna est´a definida)
La presi´on en el estado 1 es: y en el estado 2 es: (R/: 10000 kPa en los dos estados)
La temperatura en el estado 2 es: y en el estado 3 es: (R/: 311.06 ◦
C y 427.56 ◦
C)
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El volumen espec´ıfico en el estado 2 es: y en el estado 3 es: (R/: 0.0171935 m3
/kg en los dos estados)
Las temperaturas y presiones a las que ocurren los cambios de fase son: (R/: el primer cambio de fase
ocurre a 10000 kPa y 311.06◦
C y el segundo cambio ocurre a 10396.09 kPa y 313.91◦
C)
Represente los 3 estados en los diagramas P-v, T-v indicando las temperaturas, presiones y vol´umenes correspon-
dientes
7. Estime la densidad de CO2 en kg/m3
a 35 bar y 75◦
C mediante:
La correlaci´on generalizada de Pitzer con datos de Lee/Kesler. (R/: 59.75 kg/m3
)
Las tablas de propiedades termodin´amicas para el agua. (R/: 58.45 kg/m3
)
Teniendo en cuenta que la densidad de CO2 a 35 bar y 75◦
C reportada por el NIST (National Institute of
Standards and Technology) es de 59.72 kg/m3
cree usted que el agua es una buena sustancia de referencia en estas
condiciones?. Si La fase fuera l´ıquida, seguir´ıa usando el agua como sustancia de referencia, por qu´e?.
8. Perry’s Chemical Engineers’ handbook reporta la siguiente ecuaci´on para la expansi´on t´ermica de l´ıquidos.
Vt = V0(1 + a1t + a2t2
+ a3t3
)
Donde V0 es el volumen a 0◦
C, Vt es el volumen a la temperatura t en ◦
C, y a1, a2 y a3 son par´ametros, que para el
benceno son: a1 = 1.17626*10−3
, a2 = 1.27776*10−6
y a3 = 0.80648*10−8
.
Calcule el coeficiente de expansi´on volum´etrica para el benceno a 20◦
C. (R/: 1.208*10−3◦
C−1
)
9. Una olla a presi´on cerrada cuyo volumen es de 5L contiene 50 % en volumen de l´ıquido y 50 % en volumen de vapor de
agua a 1 bar. Ocurre un cambio de temperatura y presi´on hasta que se llega a un estado final de una sola fase.
La fase en el estado final es l´ıquido saturado o vapor saturado?
Cu´al es la temperatura y la presi´on en el estado final? (R/: 202.92 bar y 367.0◦
C)
Cual es la masa total de agua contenida en la olla?. (R/: 2.398kg)
Si en la olla, mediante enfriamiento, se alcanzara un estado final de vapor saturado, cu´al ser´ıa la fase en el estado
inicial?
10. Un tanque cuyo volumen es 12m3
contiene 6.2kg de agua a 1.4 bar.
Cu´al es la fase?
Cu´al es la temperatura? (R/: 316.51◦
C)
Se adiciona m´as agua al tanque manteniendo constante la temperatura calculada en el numeral anterior. Determine
la cantidad de agua que debe adicionarse para llevar el vapor dentro del tanque al punto de condensaci´on. (R/:
723.1 kg )
11. Determine si la ecuaci´on virial truncada a dos t´erminos es v´alida para etano (punto de ebullici´on a 10 bar es −29◦
C)
en los siguientes estados:
10 bar y 25◦
C (R/: S´ı es v´alida)
vapor saturado a 10 bar (R/: No es v´alida)
10 bar y −35◦
C (R/: No es v´alida)
12. El ´area de investigaci´on y desarrollo de su empresa ha revelado los siguientes datos de un compuesto llamado Y-32
sintetizado en ´esta compa˜n´ıa
T(◦
C) P(bar) ρ(kg/m3
)
25 0.01 0.0177
25 20 39.8
Adem´as se sabe que la presi´on de saturaci´on a 25◦
C es 64.3 bar y que la temperatura cr´ıtica es menor a 35◦
C.
Usando esta informaci´on incompleta, se le pide estimar lo siguiente:
La fase de Y-32 a 12 bar y 25◦
C
La masa molar de Y-32 en g/mol (R/: 43.87 g/mol)
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El segundo coeficiente virial a 25◦
C en L/mol (R/: -0.13707 L/mol)
El volumen de un tanque necesario para poder almacenar 20kg de Y-32 a 12 bar y 25◦
C, en m3
(R/: 0.874m3
)
No olvide justificar todas las suposiciones y/o aproximaciones que haga
13. Un tanque r´ıgido (sistema cerrado) est´a dividido en tres partes: A, B y C, de 1m3
cada una. Las partes A y B est´an
separadas mediante una pared adib´atica, mientras que las partes A y C , as´ı como B y C se encuentran separadas
mediante una membrana diat´ermica. En el estado inicial, la parte A del tanque contiene 1 kg de agua a 20◦
C; la parte
B contiene n-butano como l´ıquido saturado, y la parte C contiene amoniaco como vapor saturado a 527.67◦
R.
Si se permite que dentro del tanque se alcance una presi´on de 150 bar, la membrana diat´ermica se romper´ıa y se
emzclar´ıa el contenido de las partes.
El tanque se calienta uniformemente de tal forma que siempre hay equilibrio t´ermico en el interior; sin embargo, como
consecuencia del calentamiento la membrana se rompe. Tenga en cuenta la siguiente informaci´on: βn−butano =
2.54*10−3
K−1
; κn−butano = 3.4*10−4
bar−1
Presi´on de saturaci´on para n-butano a 20◦
C = 2.07 bar.
Cu´al parte de la membrana se rompi´o? la que separa A y C, o B y C?
A qu´e temperatura (K) ocurri´o la ruptura de la membrana? (R/: 312.95K)
Cu´ales son las fases de las 3 sustancias cuando ocurre la ruptura de la membrana?
CU´ales son las presiones de las 3 sustancias en el estado inicial y en el momento en el que se rompe la membrana?.
Cuantos kg de n-butano hay en la parte B? (R/: 575.8 kg)
14. Una cantidad de 2000 kg de Kripton se almacenan en un tanque a 110 bar y 20◦
C. Este tanque se ha dise˜nado para
soportar presiones de hasta 180 bar.
Para determinar el volumen del tanque, cual ecuaci´on considera usted m´as adecuada: Gas ideal, Ecuaci´on virial
truncada a 2 t´erminos o correlaci´on de Lee/Kesler. Explique por qu´e.
Estime el volumen total del tanque con la ecuaci´on escogida en el numeral anterior. (R/: 4.1 m3
)
Considera usted que es seguro almacenar 2500 kg de kripton a 25◦
C en este tanque, cuyo volumen fue calculado
en el numeral anterior? (R/: S´ı es seguro)
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