Ejercicios Propuestos de Termodinámica

[pic 1]TERMODINÁMICA DE PROCESO EIQ311-1

AÑO: 2023

Profesor: Ricardo Segura

1. Calor de reacción

1. Calcule el calor de reacción estándar para la conversión de ciclohexano en benceno:

Si el reactor opera con una eficiencia de conversión referente al ciclohexano del 70%, calcular el calor que se retirará o adicionará al reactor si:

1. Los gases de salida están a 25°C

1. Los gases de salida están a 300°C y la corriente de entrada contiene ciclohexano junto con 0,5 moles de N2 por cada mol de ciclohexano a 25°C.

1. En cierto proceso DQV (deposición química de vapores) implica la reacción entre el silano y el oxígeno a presión muy baja:

El gas de alimentación, que contiene oxígeno y silano en una proporción de 8:1 molar respectivamente, entra al reactor a 298K y 3.00 torr de presión absoluta. Los productos de reacción salen a 1375K y 3.00 torr de presión absoluta, en donde todo el silano alimentado se consume.

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1. Si se alimenta 1 m3 de gas, calcular los moles de cada componente en la alimentación y productos.
2. Calcular el calor estándar de esta reacción.

1. Calcular el calor en kJ que debe entregar o retirar del reactor, especificando que ocurre de acuerdo con el tipo de reacción (endotérmica o exotérmica)

1. En una bomba calorímetra se quema un aceite combustible con oxígeno, aceite que tiene una composición molecular promedio de C10H18. El calor generado por esta reacción es de 43.960 [J/g] para la reacción a 25°C. Si la reacción ocurre a volumen constante, produciendo agua líquida y dióxido de carbono como productos y que todo el aceite reacciona, calcular el calor estándar de combustión de la reacción.

1. Se produce hidrógeno por la reformación con vapor del propano. En el reactor, además, se efectúa una reacción adicional que produce aún más hidrógeno. La reacción se realiza sobre un catalizador de níquel en los tubos de un reactor de tubería y carcasa, en donde la alimentación al reactor contiene vapor (de agua) y propano en relación 6:1 a 125°C y los productos salen a 800°C, consumiéndose todo el propano. Se agrega calor al reactor haciendo pasar un gas caliente por el exterior de los tubos que contienen el catalizador. El gas

de calentamiento se alimenta a 4,94 m3/mol de C3H8 y entra a 1400 °C y 1 atm, con un valor de Cp de 0.04 [kJ/mol °C], saliendo a 900°C. La unidad puede considerarse adiabática. Calcular la composición molar (%) del gas de salida.

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[pic 5]TERMODINÁMICA DE PROCESO EIQ311-1

AÑO: 2023

Profesor: Ricardo Segura

1. Segunda ley: Entropía

1. Se tiene un flujo de 10 [kg/s] vapor sobrecalentado a 200 [bar] de presión a 500 [°C] que se mezcla con una corriente de 1.95 [kg/s] de agua líquida a 100 [bar] y 25 [°C], para producir vapor saturado a 100 [bar]. Determinar el cambio de entropía total de este proceso. (R: 5,11 kW/K)

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1. Considerar un cilindro que contiene 4 moles de Argon comprimido a 10 bar y 298K. El cilindro es almacenado en laboratorio con condiciones de 1 bar y 298K. Se produce una fuga del cilindro y se libera Argón hasta que la presión y temperatura se equilibran. Después de un tiempo suficiente, la concentración de Argón en el laboratorio es 1%. Estimar el cambio de entropía del universo. (R: 38,5 J/K)

1. Se tiene un sistema cilindro-pistón que contiene inicialmente 0.5 [m3] de un gas ideal a 150 [kPa] y 20 [°C] que es comprimido de manera isotérmica hasta 400 [kPa]. Considerando que la temperatura de los alrededores es de 25 [°C] y que Cp = 25R, determinar:

1. Calor transferido en el proceso (R: -125 kJ)

1. Cambio de entropía para el sistema, alrededores y universo (R: 0,18 kJ/K)

1. Si el proceso es reversible, irreversible o imposible. (R: Irreversible)

1. Determinar el cambio de entropía para el calentamiento y expansión de 1 kg de aire desde 25°C y 1 atm hasta 100 °C y 0,5bar. (Cp aire: 0.718 [kJ/kgK] (R: 0,83 J/mol K)

1. Se tiene un recipiente separado de partes iguales contiendo 1 mol de N2 y 1 mol de O2 respectivamente a 1 bar y 298K. Calcular el cambio de entropía para el mezclado de estos dos volúmenes. (R: 11,53 J/K)

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[pic 8]TERMODINÁMICA DE PROCESO EIQ311-1

AÑO: 2023

Profesor: Ricardo Segura

1. Procesos de flujo

1. Los productos de la combustión de un quemador entran en una turbina de gas a 10 bar y 950 °C, y se descargan a 1,5 bar. La turbina funciona adiabáticamente con una eficiencia de 77%. Si se supone que los productos de la combustión son una mezcla de gases ideales con capacidad calorífica de 32 J/molK, determinar:

1. El trabajo de salida de la turbina por cada mol de gas (R: -11,73 kJ)

1. La temperatura de los gases que se descargan de la turbina (R: 856,6 K)

1. De manera adiabática se expande isobutano en una turbina desde 5000 kPa y 250 °C hasta 500 kPa, con un flujo de 0,7 kmol/s. Si la eficiencia de la turbina es 0,8; determinar:

1. La potencia de salida de la turbina (R: -4665,6 kW)

1. Temperatura de salida del isobutano (R: 458 K)

1. Se comprime gas amoníaco desde 21°C y 200 kPa hasta 1000 kPa en un compresor adiabático con una eficiencia de 82%. Estimar:

1. Temperatura de salida (R: 447,5 K)

1. Trabajo requerido (R: 5673,2 J/mol)

1. Cambio de entropía del amoníaco (R: 2,347 J/mol K)

1. Se comprime aire en un compresor de flujo estable, entra a 1,2 bar y 300K, y sale a 5 bar y 500 K. La operación es no adiabática, con transferencia de calor a los alrededores a 295 K. Para el mismo cambio de estado del aire, ¿el requerimiento de potencia mecánica por mol del aire es mayor o menor para una operación no adiabática que para una adiabática? ¿Por qué?

1. Una bomba funciona en forma adiabática con agua líquida entrando a 25°C y 100 kPa con un flujo de 20 kg/s. La presión de descarga es de 2000 kPa y la eficiencia de la bomba es de 75%. Determinar:

1. Potencia requerida en la bomba (Dato:  =       ,   ∙   −   [ ⁄ ]) R:50,82 kW)

1. Temperatura de descarga del agua (R: 25,19 °C)

1. Benceno líquido a 25°C y 1,2 bar se convierte en vapor a 200°C y 5 bar en un proceso de flujo estable de dos etapas: compresión por medio de una bomba a 5 bar, seguido por vaporización en un intercambiador de calor en contracorriente. Determinar los requerimientos de la bomba y del intercambiador en kJ/mol. Suponer una eficiencia de la bomba de 70% y considerar al vapor de benceno como un gas ideal de Cp = 105 J/molK constante. (R: W = 53 J/mol; Q = 51,1 kJ/mol)

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