TRABAJO COLABORATIVO DOS
FERNEIS DAVID MARTÍNEZ MENDINUETA
CODIGO: 1063489747
MILEIDYS JUDITH TORRES
KELLYS REGINA REALES
YINET PAOLA SILVA QUINAYAS
YOENIS PATRICIA PUERTA
TUTOR: VICTORIA GUTIERREZ
GRUPO: 201015 _138
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
CURSO: TERMODINAMICA CERES CURUMANI
22-11-2013
INTRODUCCIÓN
En el presente trabajo abordaremos las temáticas relacionadas en la unidad Nº 2 del curso termodinámica, dentro de las que encontramos: segunda ley de la termodinámica, ciclos termodinámicos y aplicaciones de la termodinámica, de las que después de un análisis y estudio detallado se obtuvieron los conocimientos necesarios para el desarrollo de las actividades propuestas en la presente actividad, en la que se continuo con los ejemplos tomados de los elementos del medio en el que convivimos (tema abordado en el trabajo colaborativo Nº 1), de igual forma se calculara los consumos energéticos de un proceso, la determinación de la gasolina y los ciclos de un vehículo al igual que el de una nevera.
OBJETIVOS
Objetivo General Obtener los conocimientos brindados por el curso (Termodinámica), atreves del estudio de las diferentes temáticas y llevados a la práctica por los ejercicios desarrollados.
Objetivos Específicos
Aplicar los conceptos aprendidos de la segunda unidad del módulo, en los
diversos ejercicios planteados.
Dar a conocer las ideas aprendidas del módulo a través de ejemplos prácticos
que servirán para el fortalecimiento de un buen criterio en la toma de
decisiones
Conocer los diferentes tipos de sistemas termodinámicos presentes en el hogar
o empresa.
1. Determinar el cambio de entropía para cada uno de los diez sistemas del
Trabajo Colaborativo 1, en donde se muestre el procedimiento utilizado.
1. DESARROLLO DE EJERCICIOS
El gas natural es de los elementos más utilizados para obtener energía en
nuestros hogares, esta energía se da por combustión. El calor de combustión del
metano es de 213 Kcal/mol y el de etano es de 240 Kcal/mol, suponiendo que el
gas natural que se utiliza en casa es 90% metano y 10% etano, cual es el calor de
combustión del gas natural
Para poder hallar una entropía se determina dicha transferencia de calor a
condiciones estándar, donde
3.2. 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
(
)
Considerando esta como la energía total ingresada al sistema termodinámico
“hogar” y considerando una temperatura promedio de 30 °C se tiene que la
entropía respectiva es
3.3 para el procesamiento de gases metano. En un tanque se encuentran
almacenados 376.34 moles de un gas similar a 25 ºC, al cual se le retiran 49 Kcal.
Este gas tiene un Cv = 3.1 cal/(mol.K).
En este ejercicio se da por sentado el calor dinamizado, encontrado así la entropía
respectiva
3.4. Un gas se encuentra a 0.8 atm y 27 ºC y tiene una masa molar de 87 g/mol. Si
este gas se expande al triple de su volumen su entropía esta dada de la primera
ley y la segunda, teniendo 50 moles del gas. Sabemos que el calor transferido es
nulo debido a su carácter adiabático, obteniendo
∫
∫
∫
Si el cambio es isotérmico se tiene que
Por tanto el cambio de entropía será
3.5 En una construcción cercana a mi hogar, utilizan para generar energía un
sistema pistón/cilindro con una masa de pistón de 23 Kg que se mueve 0.5 m,
sobre el pistón se encuentra una masa de 45 Kg para generar estabilidad al
sistema.
Si la energía hallada se transformara toda en calor, tendríamos
Siendo su cambio de entropía, para una temperatura ambiente estándar
3.6. Este gas metano que utilizamos para cocinar, en una de sus etapas de
procesamiento y transporte se lleva de 260 °C a 600 °C, si suponemos que esto
se lleva a cabo en una presión suficientemente baja como para considerar gas
ideal, calcule el calor necesario para este cambio de temperatura.
Para este caso utilizaremos uno de los polinomios encontrados en la literatura que
modelan la dinámica calórica, donde tenemos
Del desarrollo de la primera unidad tenemos la siguiente expresión para el calor
[
]
Teniendo en cuenta que
La expresión para la entropía vendría siendo
[
]
3.7. En mi conjunto, cuando se va el agua hay un sistema donde se bombea agua
a 200 °F de un tanque de almacenamiento con una rapidez de 50 gal /min. El
motor de la bomba proporciona trabajo a una razón de 2 HP. El agua pasa por un
intercambiador de calor, entregando calor a 4000 Btu/min, para después ser
depositada en un segundo tanque de almacenamiento que se encuentra a una
altura de 50 pies por encima del primer tanque. Calcule la entropía.
Se tiene el calor del trabajo de la unidad anterior
3.8. El mismo pistón de la construcción cercana, contiene 15 moles de un gas a
153 kPa el cual se expande isotérmicamente hasta que la presión final llega a
123.2 kPa. El cambio de entropía que ha sufrido este gas, en J/K, es:
[
] [
]
3.9. Para hacer una sopa en Cartagena debo calentar 1 Kg de agua, teniendo en cuenta que esto se hace a temperatura y presión constantes de 100 °C y una atmosfera y los volúmenes específicos del líquido y vapor son 0.00104 y 1.673 m3/Kg, y teniendo en cuenta de tablas termodinámicas que se agrega una cantidad de calor igual a 2256.9 KJ Calcular el cambio de entropía
3.10. Para este punto no atañe un cálculo de entropía, puesto que fue calculado en el numeral anterior 3.10. Para la sopa del punto anterior, calcule el cambio de entalpia del proceso Con P constante, la ecuación que relaciona entalpia y energía interna resulta
Donde
Por consiguiente
3. Determine el consumo de gasolina, gas o diesel de un automóvil. Determine los ciclos que se están dando al interior de un vehículo.
NUEVOS ESTIMADOS DE MILLAS POR GALÓN
La EPA (Agencia de Protección Ambiental) ha cambiado la forma en que calcula las Millas por Galón (MPG).
Empezando con los modelos del 2008, los estimados reflejan los efectos de:
Velocidades más Altas y la Aceleración
El Uso del Sistema de Aire Acondicionado
Temperaturas Externas Más Frías
El cálculo disminuye los estimados de MPG para la mayoría de los vehículos.
El número de millas que usted obtenga por galón depende también de sus
hábitos para conducir, el tráfico, y otros factores.
Todos los estimados de MPG en la sección de Encuentre un Auto, usan el
nuevo sistema de cálculo para ayudar al consumidor a comparar las MPG de
modelos pasados y nuevos.
Sus Millas Por Galón Variarán. ¿Por qué varía el ahorro de combustible?
La EPA ha mejorado sus métodos para calcular el consumo y ahorro del combustible que usted consume, pero sus millas por galón variarán de cualquier forma.
Las nuevas pruebas de la EPA están diseñadas para reflejar condiciones “típicas” al conducir, así como la conducta del conductor, pero varios factores pueden afectar sus MPG significativamente:
Cómo y Dónde Conduce
Condición y Mantenimiento del Vehículo
Variaciones del Combustible
Variaciones del Auto
Antigüedad del Motor
Por eso, las clasificaciones de la EPA son una buena herramienta para comparar el consumo y ahorro de combustible de diferentes vehículos, pero no puede predecir con certeza las MPG promedio que usted aprovechará de su vehículo.
Atributos de
la Rutina
Rutina de Prueba
Ciudad Carretera Velocidades Altas
Aire
Acondicionado (AC)
Temperaturas Bajas
Tip de Viaje
Baja velocidad en tráfico
urbano, lento
Tráfico fluido a
velocidad
de carretera
Velocidad más alta, aceleración y freno
más marcados
Uso de AC bajo condiciones ambientales
calientes
Pruebas de Ciudad con
tempetarutas bajas
Velocidad Máxima
56 mph 60 mph 80 mph 54.8 mph 56 mph
Velocidad Promedio
21.2 mph 48.3 mph 48.4 mph 21.2 mph 21.2 mph
Acelaración Máxima
3.3 mph/seg
3.2 mph/seg
8.46 mph/seg 5.1 mph/seg 3.3 mph/seg
Distancia Simulada
11 mi. 10.3 mi. 8 mi. 3.6 mi. 11 mi.
Tiempo 31.2 min. 12.75
min. 9.9 min. 9.9 min. 31.2 min.
Paradas 23 ninguna 4 5 23
Tiempo a ralentí
18% del tiempo
ninguna 7% del tiempo 19% del tiempo
18% del tiempo
Motor al Arranque*
Frío Caliente Caliente Caliente Frío
Temperatura
del Laboratorio
68–86ºF 95ºF 20ºF
Aire Acondicionado del Vehículo
Apagado Apagado Apagado Encendido Apagado
El motor del vehículo no alcanza su eficiencia máxima de combustible hasta que está caliente.
EL CICLO DEL MOTOR DIÉSEL
Consta de las siguientes fases:
1. Compresión, Proceso 1-2:
Es un proceso de compresión adiabática reversible (isentropicas), es
decir sin intercambio de calor con el exterior. Viene a simbolizar el proceso
de compresión de la masa fresca en el motor real, en el que en el pistón,
estando en el punto muerto inferior (PMI), empieza su carrera de ascenso,
comprimiendo el aire contenido en el cilindro. Ello eleva el estado
termodinámico del fluido, aumentando su presión, su temperatura y
disminuyendo su volumen específico, en virtud del efecto adiabático. En la
idealización, el proceso viene gobernado por la ecuación de la
isentropicas , con k índice de politropicidad isoentrópico =
1. Combustión: proceso 2-3:
En esta idealización, el aporte de calor Qp se simplifica por un proceso isobaro (a presión constante). Sin embargo, la combustión Diesel es mucho más compleja: en el entorno del punto muerto superior (PMS) (en general un poco antes de alcanzarlo debido a problemas relacionados con la inercia térmica de los fluidos, es decir el retraso que hay entre la inyección y la inflamación espontánea), se inicia la inyección del combustible (en motores de automóviles, gasóleo, aunque basta con que el combustible sea lo suficientemente auto inflamable y poco volátil). El inyector pulveriza y perliza "atomiza" el combustible, que, en contacto con la atmósfera interior del cilindro, comienza a evaporarse. Como quiera que el combustible de un motor Diesel tiene que ser muy auto inflamable (gran poder detonante, indice de Cetano alto), ocurre que, mucho antes de que haya terminado la inyección de todo el combustible, las primeras gotas de combustible inyectado se auto inflaman y dan comienzo a una primera combustión caracterizada por ser muy turbulenta e imperfecta, al no haber tenido la mezcla de aire y combustible tiempo suficiente como para homogeneizarse. Esta etapa es muy rápida, y en el presente ciclo se obvia, pero no así en el llamado ciclo Diesel rápido, en el que se simboliza como una compresión isócora al final de la compresión. Posteriormente, se da, sobre la masa fresca que no ha sido quemada, una segunda combustión, llamada combustión por difusión, mucho más pausada y perfecta, que es la que aquí se simplifica por un proceso isóbaro. En esta combustión por difusión se suele quemar en torno al 80% de la masa fresca, de ahí que la etapa anterior se suela obviar. Sin embargo, también es cierto que la inmensa mayoría del trabajo de presión y de las pérdidas e irreversibilidades del ciclo se dan en la combustión inicial, por lo que omitirla sin más sólo conducirá a un modelo imperfecto del ciclo Diesel. Consecuencia de la combustión es el elevamiento súbito del estado termodinámico del fluido, en realidad debido a la energía química liberada en la combustión, y que en este modelo ha de interpretarse como un calor que el fluido termodinámico recibe, y a consecuencia del cual se expande en un proceso isóbaro reversible.
2. Explosión/Expansión, proceso 3-4:
Se simplifica por una expansión isentrópica (adiabática) del fluido termodinámico, hasta el volumen específico que se tenía al inicio de la compresión. En la realidad, la expansión se produce a consecuencia del elevado estado termodinámico de los gases tras la combustión, que empujan al pistón desde el PMS hacia el PMI, produciendo un trabajo. Nótese como, como en todo ciclo de motor de cuatro tiempos o dos tiempos, sólo en esta carrera, en la de expansión, se produce un trabajo.
3. Última etapa, proceso 4-1:
Esta etapa es un proceso isocórico (escape) es decir a volumen constante. Desde la presión final de expansión hasta la presión inicial de compresión. En rigor, carece de cualquier significado físico, y simplemente se emplea ad hoc, para poder cerrar el ciclo ideal. Sin embargo, hay autores que no satisfechos con todas las idealizaciones realizadas, insisten en dar un significado físico a esta etapa, y la asocian a la renovación de la carga. , pues, razonan, es esto lo que se produce en las dos carreras que preceden a la compresión y siguen a la expansión: el escape de masa quemada y la admisión de masa fresca. No obstante, el escape es un proceso que requiere mucho más trabajo que el que implica este proceso (ninguno), y además ninguno de los dos procesos se da, ni por asomo, a volumen específico constante.
Es importante notar cómo, en el ciclo Diesel, no se deben confundir nunca los cuatro tiempos del motor con el ciclo termodinámico que lo idealiza, que sólo se refiere a dos de los tiempos: la carrera de compresión y la de expansión; el proceso de renovación de la carga.. cae fuera de los procesos del ciclo Diesel, y ni tan siquiera es un proceso termodinámico en el sentido estricto.
NEVERA
Existen varias clases de procesos de refrigeración, pero por su difusión se destaca
el ciclo de refrigeración por compresión de vapor (empleado con mayor
frecuencia). En este caso se consume energía mecánica en un compresor que
comprime al fluido de trabajo evaporado que viene del evaporador (cámara fría) de
modo que el calor que tomó el fluido refrigerante en el evaporador pueda ser
disipado a un nivel térmico superior en el condensador. Luego de ello, el fluido
pasa a un expansor, que es una simple válvula de modo que el fluido condensado
a alta presión que sale relativamente frio del condensador al expandirse se
vaporiza, con lo que se enfría considerablemente ya que para ello requiere una
gran cantidad de calor (dada por su calor latente de vaporización) que toma del
recinto que esta refrigerando. Este tipo de ciclos producen una región fría por
evaporación de un fluido refrigerante a baja temperatura y presión. Esto sólo
puede ser posible si se hace un trabajo sobre el refrigerador. Por lo tanto, se ve
que el refrigerador transfiere calor del cuerpo más frío (el contenido del
refrigerador) a un cuerpo más caliente (el cuarto).
Un esquema típico es como el siguiente:
• Evaporador
• Compresor
• Condensador
• Expansión
En este sistema el fluido refrigerante hace un ciclo en el cual pasa por:
1 Un condensador, en donde se halla a alta presión a una temperatura tan baja como el fluido de enfriamiento pueda lograr. Generalmente el refrigerante es de tal naturaleza que a esta temperatura y presión se halla como líquido saturado. 2 Este líquido saturado, al pasar por un estrangulamiento tiene lugar un enfriamiento y una vaporización parcial. 3 En el evaporador, se completa la evaporación total del fluido refrigerante produciendo con ello la refrigeración que se busca. 4 Este vapor es luego comprimido en un proceso aproximadamente isotrópico. Aumenta así su temperatura y se halla en la condición de vapor sobrecalentado. Ingresando nuevamente al condensador para completar el ciclo. La diferencia con un Ciclo de Carnot invertido, es que la evaporación no es isotrópica, puesto que ocurre en una restricción en donde el proceso es isoentálpico, espontáneo y por ello fuertemente irreversible. No obstante, mientras mayor es la relación de compresión mayor es la eficacia del compresor. Un refrigerador regular utiliza 400 W, si tomamos 10 horas diarias, podemos calcular el consumo mensual
La eficiencia para los ciclos de refrigeración se expresa como coeficiente de operación y constituye la relación entre el calor retirado del espacio refrigerado Q y el trabajo suministrado por el compresor W.
Si asumimos que el calor retirado por hora es de 300 J tendríamos
Para una nevera no frost el ciclo termodinámico que se da en el interior es el ciclo
de Carnot;
Para la refrigeración se ha utilizado tradicionalmente uno de los fluidos
refrigerantes clorofluorocarbonados (CFC); que circula por un circuito cerrado
impulsado por un compresor de gas (motor).
El circuito está compuesto por 4 partes fundamentales evaporador, condensador,
tubo capilar y compresor; este pasa por la parte interna y por la parte externa de la
pared posterior del equipo siguiendo el siguiente ciclo:
El fluido circula por la parte interna en estado
líquido y frío, así que toma calor de los
alimentos (y por consiguiente los enfría).
Al aumentar la temperatura del fluido éste se evapora convirtiéndose en gas y así
pasa a la parte exterior en donde, al circular por el serpentín, va cediendo el calor
que tomó al ambiente hasta igualar su temperatura con la del exterior.
Dicho fluido llega ahora al compresor como gas, a baja presión y a temperatura
ambiente. El compresor lo comprime (reduce su volumen) y el fluido se licúa.
Pasa a través de un estrechamiento al interior. Ahí, al disminuir la presión el fluido
se expande y se enfría, quedando así en disposición de absorber el calor de los
alimentos nuevamente empezando un nuevo ciclo
CONCLUSION
De la realización de este trabajo logramos incrementar el análisis, en lo aplicado a los diversos ejercicios que hacemos como estudiante y que son resultado del estudio de cada capítulo de la unidad tratada y de los que además ampliamos nuestros conocimientos en esta área del saber y de la misma manera aprendimos a determinar los ciclos y la forma de consumo de la gasolina, así como también se logro determinar el cambio de entropía para los diferentes ejercicios planteados.
BIBLIOGRAFÍA
Rubén Darío Múnera Tangarife, módulo del curso 201015 – termodinámica, Palmira, Valle. Julio de 2009