Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

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CAPÍTULO 4
EJEMPLO 4-2 Trabajo de frontera para un proceso
a presión constante
Un dispositivo sin fricción que consta de cilindro-émbolo contiene 10 lbm de
vapor a 60 psia y 320 °F. Se transfiere calor al vapor hasta que la temperatura
alcanza 400 °F. Si el émbolo no está unido a una flecha y su masa es
constante, determine el trabajo que realiza el vapor durante este proceso.
Solución Se calienta vapor en un dispositivo de cilindro-émbolo y la temperatura
sube a presión constante. Se determinará el trabajo de frontera que se
lleva a cabo.
Análisis En la figura 4-7 se muestran un bosquejo del sistema y el diagrama
P-V del proceso.
Suposición El proceso de expansión es de cuasiequilibrio.
Análisis Aunque no se expresa explícitamente, la presión del vapor dentro del
cilindro permanece constante durante este proceso, ya que tanto la presión
atmosférica como el peso del émbolo permanecen constantes. Por lo tanto,
éste es un proceso a presión constante, por lo que de la ecuación 4-2
W b
2
1
P dV P 0
1
2
dV P 0 V 2 V 1
(4-6)
o bien,
W b mP 0 v 2 v 1
dado que V mv. De la tabla de vapor sobrecalentado (tabla A-6E), los volúmenes
específicos se determinan como v 1 7.4863 pies 3 /lbm en el estado 1
(60 psia, 320 °F) y v 2 8.3548 pies 3 /lbm en el estado 2 (60 psia, 400 °F).
Si se sustituyen estos valores, se obtiene
1 Btu
W b 110 lbm2 160 psia2318.3548 7.48632 pies 3 >lbm4 a
5.404 psia # b pies
3
96.4 Btu
Comentario El signo positivo indica que el sistema realiza trabajo; es decir, el
vapor usó 96.4 Btu de su energía para llevar a cabo este trabajo, cuya magnitud
podría determinarse también calculando el área bajo la curva del proceso
en un diagrama P-V, que en este caso es simplemente P 0 V.
P, psia
60
1
P 0 = 60 psia
2
H 2 O
m = 10 lbm
P = 60 psia
Calor
Área = w b
v v v, pies 3 1 = 7.4863
2 = 8.3548 /lbm
FIGURA 4-7
Esquema y diagrama P-V para el ejemplo
4-2.