Tc1 Grupo 138

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TRABAJO COLABORATIVO UNO GRUPO No. 201015_138 FERNEIS DAVID MARTÍNEZ MENDINUETA Código: 1063489747 KELLYS REGINA REALES ANGARITA Código: 1063961254 YOENIS PUERTA Código: 1063281484 YINET PAOLA SILVA Código: 1.062.275.007 TUTORA: VICTORIA GUTIERREZ UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CURSO: TERMODINAMICA

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Propuesta Trabajo Grado

TRABAJO COLABORATIVO UNO

GRUPO No. 201015_138FERNEIS DAVID MARTNEZ MENDINUETA Cdigo: 1063489747KELLYS REGINA REALES ANGARITACdigo: 1063961254YOENIS PUERTA Cdigo: 1063281484YINET PAOLA SILVACdigo: 1.062.275.007

TUTORA: VICTORIA GUTIERREZ

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNADESCUELA DE CIENCIAS BSICAS, TECNOLOGA E INGENIERACURSO: TERMODINAMICACERES CURUMANI19-10-2013

CONTENIDOPginaINTRODUCCIN31. OBJETIVOS41.1 Objetivo General41.2 Objetivos Especficos42. DIEZ EJEMPLOS DE SISTEMAS TERMODINMICOS EN EL HOGAR CON EL CLCULO DE SUS CONSUMOS ENERGTICOS5Clculo de la Variacin de la Energa Interna ()113. COMPARACIN DEL CONSUMO DE ENERGA ELCTRICA CON EL CONSUMO DE GAS PARA HERVIR UN LITRO DE AGUA134. DIEZ EJEMPLOS EN EL HOGAR O EMPRESA EN DONDE SE REALICE UN CLCULO DE TRABAJO EN SISTEMAS ISOTRMICO, ISOBRICO, ISOCRICO Y ADIABTICO14CONCLUSIONES19BIBLIOGRAFA20

INTRODUCCIN

El presente trabajo desarrolla la temtica de la primera ley de la termodinmica, que es una aplicacin de la ley universal de conservacin de laenerga, asu vez, identifica el calor como unatransferencia de energa. Para aplicar este tema fue necesario identificar en nuestro entorno objetos que cumplieran con sistemas termodinmicos; ejemplificando con la aplicacin de clculos en electrodomsticos y otros sistemas escogidos y/o planteados para esta actividad, que busca que los miembros de este grupo colaborativo desarrolle conocimientos y competencias en la materia.El propsito de este trabajo es una oportunidad para ampliar la visin a los logros que como futuros ingenieros tengamos en cuenta la importancia del trabajo engrupo reconociendo los temas de la primera unidad del modulo de termodinmica, mediante los ejercicios propuestos por el tutor en la gua. En esta oportunidad profundizaremos algunos temas bsicos de la termodinmica de una forma muy fcil ubicarlos los contenidos dentro de nuestra cotidianidad y as construir esquemas intelectuales que nos sirvan de plataforma para avanzar e ir adquiriendo criterio y capacidad de analizar los problemas en el manejo de la energa en los procesos industriales.

1. OBJETIVOS

1.1 Objetivo General

Identificar y aplicar los principios, conceptos y formulas relacionadas a la energa de un sistema y su medio circundante durante procesos termodinmicos comunes y fcilmente observables en nuestros medio de normal estada y desempeo; diseando de este modo un trabajo colaborativo. Dar a conocer las ideas aprendidas del modulo a travs de ejemplos prcticos que servirn parea el fortalecimiento de un buen criterio en la toma de decisiones

1.2 Objetivos Especficos

Aprender conceptos relacionas la ley cero y primera ley de la termodinmica Identificar los diferentes sistemas termodinmicos en los electrodomsticos que usamos a diario y desarrollar las aplicaciones con la primera ley de la termodinmica. Elaborar un trabajo colaborativo Conocer los conceptos manejados en el mdulo de Termodinmica estableciendo un conocimiento bsico en aras el desarrollo del curso. Identificar los diferentes conceptos de cada captulo del mdulo para conocer los temas que son objeto de estudio.

2. DIEZ EJEMPLOS DE SISTEMAS TERMODINMICOS EN EL HOGAR CON EL CLCULO DE SUS CONSUMOS ENERGTICOS

Ejemplo 1: Sistemas abiertos:El agua en un vaso (ISOBARICO)

En el caso del vaso con agua la hablamos de un sistema abierto porque est intercambiando con el ambiente materia pues el agua se evapora y energa si hay diferencias de temperatura entre el agua y el ambiente adems de la radiacin que emite por el hecho de tener temperatura por encima del cero absoluto; entonces teniendo estos valores en cuenta, la taza de transferencia de calor en el vaso se calcula asi:

es el coeficiente de conduccin del vasoes el rea de contacto de la pared del vaso con el agua es el grosor del vaso es el coeficiente de transferencia de calor entre el agua y el aire es el rea de contacto del agua con el airees la temperaturas del aguaes la temperaturas del aire es el rea total del cuerpo de agua es la temperatura del cuerpo de agua

Ejemplo 2: Calentador de agua para ducha (interaccin trmica)Este es un proceso de termodinmica de transferencia de calor a presin constante. Por esto se puede considerar un sistema isobrico.

Se pretende calentar agua para duchas mediante un calentador de contacto aproximadamente 8 L. La presin del sistema es de 1 atm y la energa requerida es de 30 J/s Si la temperatura de entrada del agua es de 18Cy se debe elevar a 45C, entonces habr que elevar 27C.

Ejemplo 3: Refrigerador

Para un sistema de refrigeracin es requerido un motor de 15 kW por hora. Se necesita retirar el calor y mandarlo al ambiente a un producto. Si el calor enviado al ambiente es 507000 kJ en 6 horas, cuanto calor se retirara a ese en el mismo tiempo

Ejemplo 4: Un vaso de agua fra en la mesa (Interaccin trmica)Este es un sistema de intercambio trmico de un sistema abierto.Pero tambin se considera un sistema isobrico.

Se pone en un vaso 500mL de agua fra a 3 C, se pone en la mesa, el ambiente se encuentra con una energa de 100 J el lugar posee una presin atmosfrica de 0.940 atm, este vaso no tena agua condensada en su exterior, al pasar unos minutos se tiene que el vaso tiene aproximadamente 3 mL de agua condensada porque el sistema pretende estar en equilibrio con el entorno. El sistema tiene en total un volumen de 503 mL de volumen. Su energa interna seria:

Ejemplo 5: Sistemas cerrados

Olla a presin (ISOCORICO)

Una olla a presin que se acaba de bajar de una estufa es un sistema cerrado que entrega anergia al entorno debido a que tiene una temperatura mayor a la del ambiente. El clculo del calor que entrega al ambiente se da como: es el coeficiente de transferencia de calor entre la olla y el aire es el rea de contacto de la olla con el airees la temperaturas de la ollaes la temperaturas del aire es el rea total de la superficie de la olla es la temperatura de la olla

Ejemplo 6: Estufa: Gas NaturalEl gas natural es de los elementos ms utilizados para obtener energa en nuestros hogares, esta energa se da por combustin. El calor de combustin 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 combustin del gas natural

Ejemplo 7: EnergaMi hogar recibi cierta cantidad de energa en el mes de julio reflejada en un costo fijo de 12165 pesos, si el costo unitario es 675.848 pesos/m3, cuanta energa recibi mi hogar en el mes de julio

Debemos primero tener el calor de combustin en volumen

Por lo tanto

Ejemplo 8: Uso de Energa en Construcciones En una construccin cercana a mi hogar, utilizan para generar energa un sistema pistn/cilindro con una masa de pistn de 23 Kg que se mueve 0.5 m, sobre el pistn se encuentra una masa de 45 Kg para generar estabilidad al sistema, los cambios energticos de este sistema son:

El trmino de la energa potencial es:

Ejemplo 9: En un termo adiabtico se genera una expansin de butano a 300 Kpa y 80 C. La presin baja hasta 100 Kpa, donde se conoce que existi un trabajo de 150 J, cual es la variacin de la energa interna y si esta energa fue ejercida por un motor, cual es el precio del proceso considerando energa elctrica?Por el desarrollo de la primera ley sabemos que el calor transferido es nulo debido a su carcter adiabtico, obteniendo

Para poder hallar el equivalente en energa elctrica se obtiene el precio de la electricidad segn el encontrado en el recibo de la luz.

Ejemplo 10: Olla a Presin

En una olla a presin se encuentra agua calentndose la cual recibe una llama que le transfiere 535 kJ. Luego de calentar 1 mol. Cul sera la variacin de la energa interna y el precio en pesos de este proceso.

La energa del sistema es recibida por el medio o por una fuente concretamente.Dentro del recipiente se puede dar la formacin de un sistema difsico (liquido- gas).

Al ser una olla a presin, el sistemas se define como isocrico lo cual nos lleva a que el trabajo es igual a cero, usando la primera ley tenemosClculo de la Variacin de la Energa Interna ()Aplicando laprimera ley de la termodinmica, podemos deducir que U, el cambio de la energa interna del sistema, es:

Si el costo unitario al calentarlo con gas natural es de 675.848 pesos/m3, y su calor de combustin esta dado por

Sabemos cul fue la demanda de calor, calculando as la cantidad de gas utilizado y posteriormente el costo del calentamiento

Si destapamos la olla del agua y calentamos 0.8 moles de agua isotrmicamente a 100 C y presin atmosfrica, representando as una transferencia de calor latente, lo que ocasiona una expansin de volumen de 0.3 a 1 L. cuanto me cuesta realizar este intercambio de calor y cuanto es el intercambio de calor en el proceso?Al ser un proceso isotrmico no hay cambio de energa interna, obteniendo as de la primera ley

3. COMPARACIN DEL CONSUMO DE ENERGA ELCTRICA CON EL CONSUMO DE GAS PARA HERVIR UN LITRO DE AGUA

Es posible definir la eficiencia de aparatos para coser alimentos ya que convierten la energa elctrica o qumica en calor. La eficiencia para un aparato para cocinar se define como la relacin entre la energa til transferida a los alimentos y la energa que consume el aparato. Las estufas elctricas son ms eficientes que las del gas, pero es mucho ms barato cocinar con gas natural que con electricidad, debido al menor costo unitario del gas. La eficiencia de los aparatos para cocinar afecta la ganancia de calor interna puesto que un aparato ineficiente consume una mayor cantidad de energa para la misma tarea, mientras el exceso de energa consumida se manifiesta como calor en el espacio cercano.la eficiencia de los quemadores abiertos se determina como 73% para las unidades elctricas y 38% para las del gas. El costo de utilizar el gas es menos de la mitad del costo unitario de la electricidad consumida. Por lo tanto, a pesar de su mayor eficiencia, cocinar con un quemador elctrico costara ms del doble en comparacin con el del gas.Consumo de energa elctricaVolumen=1 litro=958,497 gramos=calor sensible para pasar 958,497 gramos de agua de 20c a 100c

Consumo de gas natural

4. DIEZ EJEMPLOS EN EL HOGAR O EMPRESA EN DONDE SE REALICE UN CLCULO DE TRABAJO EN SISTEMAS ISOTRMICO, ISOBRICO, ISOCRICO Y ADIABTICO

Ejemplo 1: En un termo se genera una expansin adiabtica de 0.4 L de aire a 500 KPa y 40 C. Determine el trabajo realizado cuando la presin llega a 100 KPa.

Ejemplo 2: En un recipiente ponemos 300 ml de agua en estado lquido y la calentamos isotrmicamente a 100 C y presin atmosfrica aproximadamente, hasta que alcance la totalidad del recipiente (1 litro). Si llegado a este punto el sistema realizo un trabajo de 3 kJ. Cuantas moles de la sustancia hay en el sistema. Tomar como gas ideal

Ejemplo 3: En un recipiente se colocan 700 ml de agua la cual se congelara isotrmicamente. En el recipiente se encuentran 0.8 moles, por las propiedades del agua se conoce que su volumen en estado slido es mayor por lo cual si al congelarse se encuentra 800 ml de volumen. Si este proceso ocurre a 0C, calcule el trabajo realizado, tomando como si el sistema se comportara como gas ideal

Ejemplo 4: En un termo se genera una compresin adiabtica disminuyendo el volumen de 0.8 a 0.1 L. si durante el proceso se mantuvo una presin constante. Cul es el trabajo producido? 200 kPa es la presin.Como se puede ver es un proceso adiabtico pero tambin isobrico lo que nos permite hacer uso de la siguiente ecuacin

Ejemplo 5: El recipiente de una nueva bebida comprada en la tienda no cambia su volumen interno pero puede ser refrigerado teniendo un intercambio de calor a sus alrededores, por lo tanto su trabajo es isocorico, lo que indica que su trabajo es

Ejemplo 6: Se calienta agua a 100 kPa y 25 C en una olla sin tapa. Al cabo de un tiempo se nota una diferencia de volumen de 50 ml respecto al inicial. Cual es el trabajo realizado y cul es el precio si esta energa fue transferida por combustin de metano.Al no tener tapa la olla se puede tomar la presin como constante por lo que el trabajo ser

Si el costo unitario al calentarlo con gas natural es de 675.848 pesos/m3, y su calor de combustin esta dado por

Sabemos cul fue la demanda de calor, calculando as la cantidad de gas utilizado y posteriormente el costo del calentamiento

Ejemplo 7: El carro en el que me transporto varios das a la semana, funciona entre otras cosas con pistones; si en un pistn se tienen 120 moles de un gas a 42 C y 1.3 atm se comprime isotrmicamente hasta que la presin final es de 2.2 atm. El trabajo realizado sobre el sistema, en kJ, es: el brazo derecho de la ecuacin de los gases ideales es una constante y por tal no cambia en el estado uno ni en el dos, si igualamos los brazos derechos de las ecuaciones a travs de esta constante tenemos una igualdad de relaciones entre volmenes y presiones, que podemos utilizar en la expresin de trabajo isotrmico

Ejemplo 8: Un gas de acondicionamiento, en el centro comercial en el que como los viernes, se encuentra en un recipiente rgido a 4 C y 221 kPa se calienta hasta que la presin es de 236.15 kPa. La temperatura final de este gas, en C, es: despejando la relacin presin-temperatura de la ecuacin de gases ideales, tenemos que el trmino de la izquierda es constante, de tal manera que la relacin presin-temperatura en el estado 1 y 2 son iguales, y de esta expresin despejamos la temperatura final

Ejemplo 9: En una poca le sola ayudar a un amigo en la construccin de globos aerostticos caseros, que funcionan con la expansin de un gas por aumento de temperatura. Si se tienen 34.7 moles de un gas a 42 C el cual se expande a temperatura constante hasta alcanzar 3.4 veces su volumen inicial. El trabajo realizado, en joules, es: con la informacin de equivalencia entre los volmenes en los dos estados y la ecuacin de trabajo en un proceso isotrmico, podemos hallar el trabajo hecho

Ejemplo 10: Para secar la pintura de las paredes de mi cuarto, se me ocurri utilizar un compresor de aire. Este aire tiene un volumen de 0.02271 m3/mol a 0 grados y 1 bar el cual consideraremos ideal con capacidades calorficas constantes Cv=(5/2)R y Cp=(7/2)R. encuentre el volumen a condiciones ambienteEn primera medida se toma como un mol de aire contenido en un imaginario pistn/cilindro, se enfra a presin constante de 1 bar hasta el volumen que se calcula

CONCLUSIONES

Desarrollamos un trabajo colaborativo en el que se entendi y aplico los conceptos de la primera ley de la termodinmica, donde establece que si, se realiza trabajo sobre un sistema o bien ste intercambia calor con otro, laenerga internadel sistema cambiar, tambin aplicamos este conocimiento en electrodomsticos y otros sistemas que vemos en nuestro entorno.

Con el desarrollo del trabajo colaborativo anterior se busc profundizar en los conocimientos adquiridos, e implementar conocimientos de los principios de la Termodinmica que tienen gran importancia para cualquier profesional e investigador.

Los procesos termodinmicos son de gran importancia en nuestro entorno y nos permiten estudiar las transformaciones y procesos que sufre la materia.

La termodinmica brinda al ingeniero herramientas necesarias para el desarrollo de investigaciones relacionadas con energa y trabajo. Fortalecer el perfil profesional del individuo generando en el individuo el suficiente criterio para la toma de las correctas decisiones, ya sea en su mbito laboral como personal

BIBLIOGRAFA

TANGARIFE, M. R. (2009). 201015 - TERMODINMICA. Palmira: UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA.

VaxaSoftware. (s.f.). Recursos educativos GRATIS. Recuperado el 14 de Octubre de 2012, de Recursos educativos de Fsica GRATIS: http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/fis/calorespec.pdf

F.W.SEARS, G. L. SALINGER. Termodinmica, Teora cintica y Termodinmica Estadstica. Editorial Revert, S. A

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