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Tarea de termodinámica sobre la primera ley de la termodinamica
1. Tarea 2 – Trabajo, energía y primera ley de la termodinámica
Tablas para el desarrollo de los ejercicios.
Nombre y apellidos
estudiante:
Belsi Liliana Parra
Yanedis Gerardino
Ana Isabel Alvarado
Ricardo Andrés Rojas Alvear
Nestor Carlos Reyes Redondo
Código
(documento de
identidad)
1067728454
1065576110
1065833171
77090128
Nombre del tutor:
Yineth Paola Velásquez
Figueroa
Programa
académico:
Ingeniería industrial
Paso 1. Identificación de conceptos y estados termodinámicos. (10 puntos-Colaborativo):
Estudiante
Nombre del estudiante Concepto elegido
Definición del concepto elegido (Resumen)
1
BELSI LILIANA PARRA
PIÑEROS
Trabajo, potencia y
energía
Trabajo
Se refiere a una actividad que emplea una fuerza y el movimiento
en la dirección de la fuerza. Una fuerza de 20 Newtons empujando
un objeto a lo largo de 5 metros en la dirección de la fuerza realiza
un trabajo de 100 julios.
Energía
Es la capacidad para producir trabajo. - Ud. debe tener energía para
realizar un trabajo - es como la moneda para realizar trabajo. Para
producir 100 julios de trabajo, Ud. debe gastar 100 julios de energía
2. Potencia
Es la velocidad en la realización del trabajo o en el uso de la energía,
que numéricamente son lo mismo. Si usted produce 100 julios de
trabajo en un segundo (usando 100 julios de energía), la potencia es
de 100 vatios.
2
Ricardo Andrés Rojas Alvear Primera ley de la
termodinámica.
La primera ley es un enunciado de conservación de energía. Nos
dice que un sistema puede intercambiar energía con su entorno
mediante la transmisión de calor y la realización de trabajo. La
energía neta intercambiada es entonces igual al cambio en la
energía mecánica total de las moléculas del sistema (es decir, la
energía interna del sistema). Así, si un sistema está aislado, su
energía interna debe permanecer constante.
3
YANEDIS GERARDINO Energía y transferencia
de calor
Energía: La energía es una propiedad de los sistemas físicos que
les permite realizar trabajo. Existen diferentes formas de energía,
como la energía cinética (asociada al movimiento), la energía
potencial (relacionada con la posición o configuración) y la energía
térmica (vinculada a la temperatura). La energía total en un sistema
se conserva según la ley de conservación de la energía.
Transferencia de calor: La transferencia de calor es el proceso
mediante el cual la energía térmica se transfiere de un sistema a otro
debido a una diferencia de temperatura entre ellos. Este proceso
puede ocurrir por conducción (transferencia directa de energía a
través de materiales), convección (transferencia de energía a través
de un fluido) o radiación (transferencia de energía a través de ondas
electromagnéticas).
4
Nestor Carlos Reyes
Redondo
Sustancias puras y sus
estados termodinámicos
Conceptos sustancias puras: Las sustancias puras son aquellas que
presentan una composición química fija y homogénea, por lo que
solo están formadas por átomos o moléculas que aparecen en sus
3. respectivos símbolos o fórmulas químicas. Por ejemplo, el agua, el
nitrógeno, el helio y el dióxido de carbono.
Estados termodinámicos: Las sustancias puras se pueden encontrar
en fase sólida, líquida o gaseosa de acuerdo con las condiciones de
prensión y temperatura.
Las condiciones a las cuales una sustancia pura cambia de fase son
propias de cada sustancia y se utilizan como tales para su
identificación y caracterización.
Los estados termodinámicos son liquido saturado, vapor saturado,
mezcla liquido-vapor, liquido comprimido y vapor sobrecalentado.
5
ANA ISABEL ALVARADO Diagramas
termodinámicos
Los diagramas termodinámicos son representaciones gráficas que
se utilizan para visualizar y analizar el comportamiento de
sistemas termodinámicos, como gases, líquidos o sólidos, en
relación con variables como la temperatura, la presión, el volumen
y la entropía. Estos diagramas son herramientas importantes en el
estudio de la termodinámica, ya que permiten entender y predecir
cómo cambian las propiedades de un sistema en diferentes
condiciones.
Diagrama de fases: Muestra las diferentes fases en las que puede
existir una sustancia (sólido, líquido, gas) en función de la
temperatura y la presión. Es útil para comprender los cambios de
fase, como la evaporación, la condensación, la fusión y la
solidificación.
Diagrama de propiedades: Representa las propiedades
termodinámicas de una sustancia en función de una o más
variables, como la temperatura y la presión. Por ejemplo, el
diagrama P-V (presión-volumen) es una representación común en
la que se muestra cómo cambia el volumen de un sistema en
4. respuesta a cambios en la presión, manteniendo constante la
temperatura.
Diagrama T-s (temperatura-entropía): Muestra las variaciones de
temperatura y entropía de un sistema durante un proceso
termodinámico. Es útil para analizar la eficiencia de ciclos
termodinámicos, como el ciclo de Carnot o el ciclo de
refrigeración por compresión de vapor.
Paso 2: Descripción del estado termodinámico. (25 puntos-colaborativo):
Estudiante T, °C P, kPa h, kJ/kg X Descripción del estado termodinámico
1 120,21 200
H = hf + x (hg - hf)
H = 504,71 kJ/kg +
0,7 (2706,3 kJ/kg -
504,71 kJ/kg) =
2045,8 kJ/kg
0,7
Mezcla saturada, ya que cumple con la tabla
2 140 361,53 1800 0,564
Es una mezcla saturada que se encuentra en
equilibrio de fases.
5. Estado 2: Tablas termodinámicas A – 1. Agua
saturada a T = 140 °C; h = 1800 KJ/Kg
hf = 589,16 KJ/Kg hg =2733,5 KJ/Kg
hfg = 2144,3 KJ/Kg
hf < h < hg => Mezcla saturada
P = P sat = 361,53 kPa
ℎ𝑝 = ℎ𝑓 + 𝑥 ℎ𝑓𝑔
𝑥 =
ℎ𝑝 − ℎ𝑓
ℎ𝑓𝑔
𝑥 =
1800 − 589,16
2144,3
𝑥 = 0,564
3 177,66°C 950
Entalpía: 𝒉 = 𝒉𝒇 +
𝒙(𝒉𝒈 − 𝒉𝒇)
𝒉 = 𝟕𝟓𝟐, 𝟕𝟒 +
𝟎(𝟐𝟕𝟕𝟓, 𝟐 −
𝟕𝟓𝟐, 𝟕𝟒) =
𝟕𝟓𝟐, 𝟕𝟒𝑲𝑱/𝑲𝒈
𝒉 = 𝒉𝒇
752,74KJ/Kg
0 Líquido saturado
4 80 5000 335,02 N/A
LIQUIDIO COMPRIMIDO
Observamos la tabla A.4 Agua saturada.
Tabla de temperaturas.
6. Para esa temperatura, e valor de la presión de
saturación es menor a la presión de trabajo;
por tal motivo es un líquido comprimido.
Las tablas de líquido comprimido inician con
5MPa la cual es mucho mayor a la presión de
trabajo. Por tal motivo, se sugiere tratar este
caso como líquido saturado a la temperatura
dada.
T=80° C
P kPa= 5000
H, kj/kg=335,02
X=N/A
Presión dada es mayor a la Presión de
saturación a una temperatura dada el
estado es LIQUIDO COMPRIMIDO O
SUBENFRIADO.
(¿tienes dudas?, 2020)
5 800 3162,2
Análisis:
Presión (P): 800 kPa:
7. La presión de 800 kPa es superior a la presión
atmosférica estándar (101 kPa). Esto indica
que el agua se encuentra en un estado
comprimido.
A mayor presión, las moléculas de agua se
encuentran más juntas, lo que aumenta la
densidad del agua.
Entalpía específica (h): 3162,2 kJ/kg:
La entalpía específica es una medida de la
energía total del agua por unidad de masa.
Un valor de 3162,2 kJ/kg indica que el agua
tiene una alta energía interna.
Esta alta energía interna puede ser debida a
una alta temperatura, a una alta presión o a
una combinación de ambas.
Descripción del estado termodinámico:
El agua se encuentra en un estado
termodinámico de alta presión y alta
temperatura.
Es importante tener en cuenta que no se puede
determinar con precisión la temperatura y la
fase del agua (sólida, líquida o gaseosa) con
solo la información de la presión y la entalpía
específica. Se necesitaría información
adicional, como la temperatura o la densidad,
8. para determinar con mayor precisión el estado
termodinámico del agua.
Posibles estados termodinámicos:
Agua líquida sobrecalentada: Si la
temperatura del agua es superior a la
temperatura de ebullición a una presión de
800 kPa, el agua se encuentra en un estado
líquido sobrecalentado.
Vapor de agua: Si la temperatura del agua es
superior a la temperatura crítica (374,15 °C),
el agua se encuentra en estado de vapor.
Mezcla de líquido y vapor: Si la temperatura
del agua está entre la temperatura de
ebullición y la temperatura crítica, el agua se
encuentra en una mezcla de líquido y vapor.
9. Conclusión grupal
(Min 200 palabras,
Max 300 palabras)
El estado termodinámico es la condición en la cual se encuentra un sistema termodinámico, esta condición puede varios
dependiendo de lo que ocurre en cada sistema, como lo son su temperatura, presión.
Para definir un estado termodinámico se necesitan dos propiedades, una tercera se deduce de las dos propiedades
iniciales dadas.
Las propiedades de estado son las que definen el sistema termodinámico como lo son: Temperatura, presión, volumen,
Energía interna, entalpia, entropía y energía de Gibbs; por lo cual se pueden escoger cualquier pareja para definir el
estado termodinámico.
Teniendo en cuenta lo anterior podemos concluir que los estados termodinámicos son importantes en la ingeniería
industrial porque para lograr un proceso idealizado continuo o cuasi estático, los cambios incrementales infinitesimales
en tales variables son diferenciales exactos. Juntos, los cambios incrementales a lo largo del proceso, y los estados
inicial y final, determinan completamente el proceso idealizado.
Al lograr el proceso idealizado en ingeniería industrial se logra a su vez una mayor eficiencia, independiente de la
industria o el sector al que se este aplicando, teniendo en cuenta que al lograr el estado termodinámico correcto se puede
mejorar continuamente los procesos.
Un claro ejemplo sería un gas ideal, las variables termodinámicas serian tres de las siguientes cuatro: cantidad de
sustancia, presión, temperatura y volumen. Por tanto, el estado termodinámico se distribuiría en un espacio de estados
tridimensional logrando así que el gas ideal, necesario para llevar a cabo el proceso de elaboración de diferentes
productos en diversas industrias como la química, energética, alimentaria, en la conservación del medio ambiente, en la
elaboración del vidrio, la elaboración de plásticos entre otros.
Tabla 2. Descripción de conceptos fundamentales termodinámicos
Paso 3: Aplicación de la primera ley de la termodinámica. (35 puntos-indivudal):
Ejercicio 1:
10. Estudiante
Variables a considerar cada
Estudiante
Variables a determinar
1
X = 25 bar
Y = 0,01 m3
Z = 200 °C
a) La presión en el estado 2 y 3
b) El cambio de la energía interna para los procesos
c) Gráfica P-v del proceso
2
X = 3,5x106
Pa
Y = 0,02 m3
Z = 300 °C
a) La presión en el estado 2 y 3
b) El cambio de la energía interna para los procesos
c) Gráfica P-v del proceso
3
X = 20 bar
Y = 0,03 m3
Z = 400 °C
a) La presión en el estado 2 y 3
b) El cambio de la energía interna para los procesos
c) Gráfica P-v del proceso
4
X = 4x106
Pa
Y = 0,04 m3
Z = 350 °C
a) La presión en el estado 2 y 3
P2= 4000000Pa
P3=1259921,05 Pa
11. b) El cambio de la energía interna para los procesos
Proceso 1-2 isotérmico
12. Como las dos temperaturas son iguales, la variación de la energía
interna es igual 0, eso sucede cuando el proceso es isotérmico
Proceso 2-3 adiabático
Calor=0
𝑊2−3 = −𝑛 ∗ (𝑣 ∗ (𝑇3 − 𝑇2); Vapor de agua
𝑊2−3 = −𝑛 ∗ 𝐶𝑣 ∗ (𝑇3 − 𝑇2)
𝑊2−3 = −31 ∗ 1,6667 ∗ 8,31
𝐽
𝑚𝑜𝑙 𝐾
∗ (392,45 − 623)𝐾
𝑊2−3 = 98986,64 𝐽
c) Gráfica P-v del proceso
13. 5
X = 50 bar
Y = 0,05 m3
Z = 450 °C
Datos:
Presión inicial (estado 1): P=X=50 bar = 5000 kPa (convertido)
Volumen inicial (estado 1): V1=Y=0.05 m³
Temperatura a volumen constante (estado 2):T2=Z=450 °C = 723.15
K (convertido)
Volumen final (estado 3): V3=2×V1=2×0.05=0.1 m³
Estado 2 (volumen constante, isotérmico):
La temperatura T2 es 450 °C = 723.15 K (convertido).
Usamos la ecuación de estado del agua para encontrar la presión a
723.15 K V2=Y
P2=P1=5000 kPa
Tabla 3. Aplicación de la primera ley de la termodinámica.
14. Ejercicio 2: Link simulador:
https://phet.colorado.edu/sims/html/energy-forms-andchanges/latest/energy-forms-and-changes_all.html?locale=es y
Estudiante Configuración del simulador Responder cuestionamientos
1 Tubería de agua, generador y hélices
2 Sol + Nubes (Ninguna), Panel solar y Bombillo
15. 3 Taza + Calor (Máx), generador y depósito de agua
4 Bicicleta, generador y hélices
1. Realice una explicación detallada de los procesos que ocurren en
el sistema anterior.
En el sistema anterior se predice como la energía fluirá cuando la
bicicleta inicia su movimiento, creando diferentes tipos de energía de
acuerdo con un ejemplo de la vida cotidiana.
Se muestra como fluye la energía y como puede cambiar de una
forma de energía a otra para los sistemas de la vida real.
2. Realice una breve descripción de cada uno de los tipos de energía
que se presentan en el sistema simulado
16. Los tipos de energía que se presentan en el sistema de simulado son:
Energía química: Es la energía contenida o que se produce a través de
reacciones entre moléculas de uno o más compuestos.
Energía mecánica: es la energía que poseen los objetos o un sistema en
movimiento y varia dependiendo su velocidad y su masa.
Energía térmica: es la que genera el movimiento interno y aleatorio de
las partículas de un cuerpo, equivalente a la energía cinética.
Energía eléctrica: Es la energía que se origina de la diferencia de
potencial eléctrico entre dos puntos determinados, cuando se los pone
en contacto mediante un transmisor eléctrico.
3. Si, se realiza la configuración: Sol + Nubes (Muchas), Panel solar y
Bombillo ¿cuál sería el resultado de la producción de la energía
térmica y lumínica? Compare con el resultado, si se tuviera la
configuración con Ninguna nube. Explique argumentando con
referencias la situación descrita anteriormente.
17. Con el cambio de configuración: Sol + Nubes (Muchas), Panel solar y
Bombillo no se produce energía térmica, solo se produce energía
lumínica.
Con el cambio de configuración: Sol + Nubes (Ninguna), Panel solar y
Bombillo la luz solar produce energía lumínica, pero al llegar al panel
solar esta se transforma en energía eléctrica y al llegar al bombillo se
produce energía lumínica y energía térmica
18. 5 Sol + Nubes (Ninguna), Panel solar y hélices
19. Respuesta 1 y 2
https://youtu.be/9lajxcbffZE
respuesta a la pregunta 3
https://youtu.be/6kf5cdOtOxA
Tabla 4. Simulación tipos de energía
Paso 4. Desarrollo de ejercicios sobre ecuaciones de estado (30 puntos-individual):
Ejercicio 1:
Estudiante Ecuaciones de estado a aplicar
1
La ecuación de:
Solución:
2
La ecuación de:
Solución:
3
La ecuación de:
Solución:
20. 4
La ecuación de: Benedict – Webb-Rubin
Determinar la presión del gas Dióxido de carbono 𝑪𝑶𝟐
Procedimiento y solución:
P=?
T=300K
V=0,003 𝑚3
/𝑘𝑔 es el volumen másico (v/M)
R debe estar en unidades de Kj/kg K.
𝑅𝒖 =∗ 8,314
𝑘𝑃𝑎𝑚3
𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐾
𝑴 = 44
𝑔
𝑚𝑜𝑙
𝑴 = 0.044
𝑘𝑔
𝑚𝑜𝑙
23. 𝑷 = 𝟖𝟑𝟏𝟒𝟎𝟎 + (−𝟏𝟖𝟕𝟏𝟐𝟕𝟐𝟎) + 𝟏𝟓𝟐𝟕𝟏𝟎𝟒𝟒𝟒 + 𝟏, 𝟔𝟏𝟎𝟑𝟒𝟓𝟔 + 𝟐, 𝟐𝟖𝟕𝟗𝟎𝟒𝟒
𝑷 = 𝟏𝟑𝟒𝟖𝟐𝟗𝟏𝟐𝟕, 𝟗 𝒌𝑷𝒂
Determinar el porcentaje de error si el valor experimental del gas nitrógeno es de 𝟏𝒙𝟏𝟎𝟒
Procedimiento y solución:
Valor experimental del gas nitrógeno=1 𝑥 104
kPa
T=-98°C = 175,15 K
V=0,00375 𝑚3
/𝑘𝑔 v=3,75x10−3
𝑚3
/𝑘𝑔 v= 0,1050 𝑚3
/𝑘𝑚𝑜𝑙
Pexperimental=1 𝑥 104
kPa
Pgasideal=13,869.33 kPa
Error= (Pgasideal- Pexperimental)/Pexperimental
Error=(13,869.33 kPa – 10,000 kPa)/ 10,000 kPa
Error= 0,386933
Error=38,69% se tendría mas de 39% de presión si el valor experimental es de 1 𝑥 104
5
La ecuación de: La ecuación de estado de Beattie-Bridgeman
Solución:
Parámetros:
24. Temperatura (T): 300 K
Volumen másico inicial (v1): 0.003 m³/kg
Volumen másico final (v2): 0.00289 m³/kg
Constante de gas ideal (R): 8.314 kJ/kmol K (se convierte a kJ/kg K dividiendo por la masa molar del CO2, 44.01
kg/kmol)
Parámetros de la ecuación de Beattie-Bridgeman para CO2:
A0 = 227.24 cm⁶ kPa/kg²
A1 = -326.10 cm⁶ kPa/kg²
A2 = 0.9484 cm⁶ kPa²/kg³
B0 = 0.04927 cm³/kg
B1 = 0.05635 cm³/kg
Cálculo de la presión en el estado 1 (v1):
P1 = (8.314 kJ/kg K * 300 K) / 0.003 m³/kg - 227.24 cm⁶ kPa/kg² / (0.003 m³/kg)² + (-326.10 cm⁶ kPa/kg²) / (0.003 m³/kg)³
+ 0.04927 cm³/kg (1 - 0.05635 cm³/kg / 0.003 m³/kg)
P1 ≈ 7064.4 kPa
Cálculo de la presión en el estado 2 (v2):
P2 = (8.314 kJ/kg K * 300 K) / 0.00289 m³/kg - 227.24 cm⁶ kPa/kg² / (0.00289 m³/kg)² + (-326.10 cm⁶ kPa/kg²) / (0.00289
m³/kg)³ + 0.04927 cm³/kg (1 - 0.05635 cm³/kg / 0.00289 m³/kg)
P2 ≈ 7738.5 kPa
Porcentaje de error:
Error = (P2 - Pexp) / Pexp * 100%
Error = (7738.5 kPa - 10000 kPa) / 10000 kPa * 100%
Error ≈ -22.62%
25. La presión del CO2 a 300 K y v = 0.00289 m³/kg, según la ecuación de Beattie-Bridgeman, es de 7738.5 kPa. El error con
respecto al valor experimental del gas nitrógeno (10000 kPa) es del -22.62%.
Referencia (Normas APA):
Alvarado, G.R. (2010). Capítulo 2. En R. Alvarado (1era ed), Principios de termodinámica México D.F.: Instituto Politécnico Nacional. (pp. 39- 74)
https://elibro-net.bibliotecavirtual.unad.edu.co/es/ereader/unad/72185
Ayuso, L., et al. (2009). Unidad 2. En L. Ayuso. Módulo de termodinámica. Repositorio Institucional de la UNAD http://hdl.handle.net/10596/5003
Cengel, Y. A., & Boles, M. A. (2019). Termodinámica (9a ed). España: McGraw- Hill Interamericana. (pp. 134-183; 184-233; 234-291).
https://www-ebooks7
24- com.bibliotecavirtual.unad.edu.co/?il=9192&pg=134
Múnera, R. D. (2013). Fundamentos teóricos de termodinámica unidad 1. [libro]. Repositorio Institucional UNAD.
https://repository.unad.edu.co/handle/10596/7901
¿tienes dudas? (14 de junio de 2020). Ejercicios de termodinámica: Determianción de Fases. Obtenido de
https://www.youtube.com/watch?v=uO96--JQuk8
