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PARCIAL GRATUITO · RESUELTO EN HOJAS

Parcial resuelto de Modelo de Gases

Leé el enunciado y abrí las hojas de la resolución en orden.

Enunciado

Una mezcla de 15 kg de dióxido de carbono y 3 kg de monóxido de carbono a 5 MPa tiene un coeficiente de compresibilidad de 0,8. Determinar la temperatura y el volumen de la mezcla.

¿Qué tuvo que tener en cuenta para calcular el volumen? ¿Por qué? ¿Qué dice la ley de los estados correspondientes?

Resolución en hojas

Hoja 1Hoja 1 de Parcial resuelto de Modelo de Gases
Hoja 2Hoja 2 de Parcial resuelto de Modelo de Gases
Hoja 3Hoja 3 de Parcial resuelto de Modelo de Gases
Hoja 4Hoja 4 de Parcial resuelto de Modelo de Gases

Otro ejercicio gratuito, paso a paso

EJERCICIO GRATUITO

Presión del vapor de agua: tres modelos

Vapor de agua a T=400 ∘CT=400\,{}^\circ\mathrm C y volumen específico v=0,020 m3/kgv=0,020\,\mathrm{m^3/kg}.

Determiná la presión mediante a) la ecuación de gas ideal, b) tablas de vapor y c) un diagrama de compresibilidad. d) Compará los resultados y decidí si el vapor se comporta como gas ideal.

Intentá resolverlo antes de abrir los pasos.

Esquema del planteo: Vapor de agua, Un estado conocido, Presión por determinar. Datos: T = 400 °C; v = 0,020 m³/kg; P = ?.

Razonalo paso a paso.

1. Identificá el estado y leé A-1

Tenemos un solo estado de vapor de agua, sin proceso. Por eso no hay balance de masa, energía ni entropía que permita hallar la presión. En la tabla A-1 buscá «Agua»: la flecha señala su fila y los círculos muestran R=0,4615 kJ/(kg K)R=0,4615\,\mathrm{kJ/(kg\,K)}, Tc=647,1 KT_c=647,1\,\mathrm K y Pc=22,06 MPaP_c=22,06\,\mathrm{MPa}. Guardá estos datos para los métodos siguientes. La temperatura dada es 400 ∘C400\,{}^\circ\mathrm C; solo para las ecuaciones de gas y propiedades reducidas convertimos a kelvin.

T=400+273,15=673,15 KT=400+273{,}15=673{,}15\,\mathrm K
Ampliar tabla marcada ↗
Tabla A-1 original: la fila Agua señala R, T crítica y P crítica con círculos rojos.
2. Calculá primero como gas ideal

La ecuación Pv=RTPv=RT usa TT absoluta. Despejá P=RT/vP=RT/v y sustituí el RR leído en A-1. Como 1 kJ=1 kPa m31\,\mathrm{kJ}=1\,\mathrm{kPa\,m^3}, el resultado intermedio está en kPa; dividí por mil para expresarlo en MPa. Este valor supone Z=1Z=1 y todavía no describe con precisión el vapor real.

Pideal=0,4615(673,15)0,020=15532,9 kPa≈15,53 MPaP_{\mathrm{ideal}}=\frac{0{,}4615(673{,}15)}{0{,}020}=15532{,}9\,\mathrm{kPa}\approx15{,}53\,\mathrm{MPa}
3. Leé A-6 y completá el estado

Ahora usá la tabla A-6 original de vapor sobrecalentado. En la página 920, buscá el bloque P=12,5 MPaP=12,5\,\mathrm{MPa} y bajá a T=400 ∘CT=400\,{}^\circ\mathrm C: allí se leen v=0,020030 m3/kgv=0,020030\,\mathrm{m^3/kg} y u=2789,6 kJ/kgu=2789,6\,\mathrm{kJ/kg}. En la página 921, a la misma temperatura y 15 MPa15\,\mathrm{MPa}, leé v=0,015671v=0,015671 y u=2740,6u=2740,6 en las mismas unidades. Tu v=0,020v=0,020 queda apenas por debajo del primero: la presión real es apenas mayor que 12,5 MPa12,5\,\mathrm{MPa}. Interpolá con estos valores impresos y después completá la única fila de la tabla de estados. La tabla redondeada da P≈12,52 MPaP\approx12,52\,\mathrm{MPa}; la estimación fina previamente validada es 12,53 MPa12,53\,\mathrm{MPa}. Esa diferencia de 0,01 MPa0,01\,\mathrm{MPa} proviene de la precisión de lectura, no de otro estado.

PA6=12,5+0,020030−0,0200,020030−0,015671(15−12,5)≈12,52 MPaP_{\mathrm{A6}}=12{,}5+\frac{0{,}020030-0{,}020}{0{,}020030-0{,}015671}(15-12{,}5)\approx12{,}52\,\mathrm{MPa}
Ampliar tabla marcada ↗
Tabla A-6 original, página 920: bloque de 12,5 MPa y fila de 400 °C, con v y u marcados.

En la siguiente página de A-6, señalamos el segundo bloque usado para interpolar. Aplicá la misma fracción a la energía interna.

Ampliar tabla A-6 marcada ↗
Tabla A-6 con las lecturas del caso marcadas
u≈2789,6+0,020030−0,0200,020030−0,015671(2740,6−2789,6)≈2789,3 kJ/kgu\approx2789{,}6+\frac{0{,}020030-0{,}020}{0{,}020030-0{,}015671}(2740{,}6-2789{,}6)\approx2789{,}3\,\mathrm{kJ/kg}
Tabla de estados · Vapor de agua
EstadoT (°C)P (MPa)v (m³/kg)u (kJ/kg)xEstado físico
1400≈ 12,530,020≈ 2789,3—Vapor sobrecalentado

Hay un solo estado, no un proceso. La A-6 impresa da P ≈ 12,52 MPa; la estimación fina validada es ≈ 12,53 MPa. u se interpola entre los mismos dos bloques; x no se define para vapor sobrecalentado.

4. Obtené las propiedades reducidas y leé Z

Retomá TcT_c y PcP_c de A-1. Dividí la temperatura absoluta por TcT_c para obtener la temperatura reducida TrT_r. Como ya conocemos la presión por la tabla, también podemos calcular la presión reducida Pr=Ptabla/PcP_r=P_{\mathrm{tabla}}/P_c; este dato sirve para describir el estado, pero no lo usamos para hallar de nuevo la presión con el gráfico. Para leer este gráfico usamos el volumen pseudorreducido vr=v/(RTc/Pc)v_r=v/(RT_c/P_c). Convertí Pc=22,06 MPaP_c=22,06\,\mathrm{MPa} a 22060 kPa22060\,\mathrm{kPa} para mantener unidades coherentes: RTc/Pc≈0,01354 m3/kgRT_c/P_c\approx0,01354\,\mathrm{m^3/kg} y vr≈1,48v_r\approx1,48. Seguí la vertical roja desde vrv_r hasta la curva Tr≈1,04T_r\approx1,04 y luego la horizontal hasta el eje: Z≈0,806Z\approx0,806. Las curvas se calcularon con IAPWS-IF97.

Tr=673,15647,1≈1,0403Pr=PtablaPc=12,5322,06≈0,5680PZ=ZRTv=0,806(15,5329)≈12,52 MPa\begin{aligned}T_r&=\frac{673{,}15}{647{,}1}\approx1{,}0403\\P_r&=\frac{P_{\mathrm{tabla}}}{P_c}=\frac{12{,}53}{22{,}06}\approx0{,}5680\\P_Z&=Z\frac{RT}{v}=0{,}806(15{,}5329)\approx12{,}52\,\mathrm{MPa}\end{aligned}
Diagrama Z frente al volumen pseudorreducido v dividido por RT crítica sobre P crítica. La curva roja de temperatura reducida 1,04 cruza la vertical roja en volumen pseudorreducido 1,48; la horizontal roja indica Z aproximadamente 0,806.
5. Compará los tres métodos

Tomá como referencia la presión de tablas más precisa: Pref=12,53 MPaP_{\mathrm{ref}}=12,53\,\mathrm{MPa}. Para cada método, restá su presión y la de referencia, tomá el valor absoluto de esa diferencia y dividilo por la presión de referencia. Multiplicá por 100100 para expresarlo como porcentaje.

El gas ideal da 15,53 MPa15,53\,\mathrm{MPa}: su diferencia es 3,00 MPa3,00\,\mathrm{MPa} y el error relativo es 23,94 %23,94\,\%. El factor de compresibilidad da 12,52 MPa12,52\,\mathrm{MPa}: su diferencia, con los valores mostrados, es 0,01 MPa0,01\,\mathrm{MPa} y el error relativo es 0,08 %0,08\,\%. Este último porcentaje refleja el redondeo de la lectura gráfica; no indica una exactitud de centésimas para el gráfico. Como ZZ está apreciablemente por debajo de uno, aquí no conviene aproximar el vapor como gas ideal.

εideal=∣15,53−12,53∣12,53×100≈23,94 %εZ=∣12,52−12,53∣12,53×100≈0,08 %\begin{aligned}\varepsilon_{\mathrm{ideal}}&=\frac{|15{,}53-12{,}53|}{12{,}53}\times100\approx23{,}94\,\%\\\varepsilon_Z&=\frac{|12{,}52-12{,}53|}{12{,}53}\times100\approx0{,}08\,\%\end{aligned}

El gas ideal sobrestima la presión: en este estado, el vapor de agua se comporta de manera no ideal. El cálculo con ZZ coincide con la tabla dentro del redondeo mostrado.