SISTEMAS CERRADOS
¿Qué temas de Sistemas Cerrados trabajamos?
Qué es un sistema cerrado: masa constante, frontera móvil o fija, y tipos de intercambio con el entorno.
Primer principio en sistema cerrado (balance de energía):
DeltaE = Q - W
con E = U + Ec + Ep (y cuándo Ec y Ep se desprecia).Interpretación física de Q y W: convención de signos y lectura rápida para no equivocarse.
Trabajo de frontera en pistón-cilindro:
Wb = integral(P dV)
casos típicos: presión constante, proceso lineal, y cómo usar diagramas P-v.Recipientes rígidos (V constante):
si V no cambia -> Wb = 0
y todo se resuelve con tablas + balance energético.Procesos con presión constante (P constante): expansión/compresión y uso de propiedades para encontrar estados finales.
Trabajo de eje (agitador / paletas): cómo entra en el balance como “trabajo” aunque no haya cambio de volumen.
Trabajo eléctrico (resistencia dentro del sistema):
Welec = VIt
y cómo combinarlo con trabajo de eje y calor.Diagramas termodinámicos para entender el proceso: P-v, T-s, T-v (identificación de regiones: comprimido, saturación, sobrecalentado).
Uso de tablas de agua/refrigerantes: cómo encontrar u, h, v, x (calidad), y cómo interpolar cuando hace falta.
Calidad de vapor (x) y mezcla saturada:
propiedad = prop_f + x*(prop_g - prop_f)
y cómo detectar si estás dentro de la campana.Procesos con cambio de fase en sistemas cerrados: ebullición/condensación, cómo cambia el volumen y qué variables quedan fijas.
Errores típicos de examen: confundir u con h, olvidar Wb en pistón móvil, usar Celsius en tablas, y errores de unidades (kPa, MPa, kJ, m3).
Ejercicios resueltos de sistemas cerrados explicados paso a paso: balance de energía, trabajo y calor, pistón-cilindro, recipientes rígidos, agitadores, resistencias eléctricas y análisis con tablas de propiedades.
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TERMO- SISTEMA CERRADO TEORIA
Un cilindro–pistón contiene 0,50 kg de aire inicialmente a 200 kPa y 25 °C. El pistón se mueve libremente y está cargado de modo que la presión interna se mantiene constante en 200 kPa durante todo el proceso.
Se transfiere calor al aire hasta que su temperatura alcanza 225 °C. Durante el proceso, el sistema realiza trabajo de frontera sobre el pistón.
Suponé que el aire se comporta como gas ideal y despreciá cambios de energía cinética y potencial.
Pedidos
-
Determinar el trabajo de frontera W realizado por el sistema.
-
Plantear el balance de energía para hallar el calor transferido Q.
EJERCICIO DE PARCIAL RESUELTO EN VIDEO
Desde una fuente a 573 K se emite un flujo de calor a un recipiente cerrado y rígido de 10,56 m³ que aloja 2 kg de agua a 65 °C. La emisión de calor termina cuando toda el agua alcanza una temperatura de 300 °C.
a) ¿Qué estado alcanza el agua al finalizar el proceso? Justifique su respuesta y grafique el proceso en un diagrama T-v.
b) Determinar la cantidad de calor que recibe el agua contenida en el recipiente al finalizar el proceso.
c) Calcular la entropía generada mediante su respectivo balance.
d) Calcular la exergía destruida mediante su respectivo balance (T0=298 K, p0=100 kPa)
TERMO- SISTEMAS CERRADOS EJERCICIO REGALITO
PREGUNTAS FRECUENTES EN SISTEMAS CERRADOS
1) ¿Por dónde empiezo si Sistemas Cerrados me cuesta?
Empezá con estas 4 preguntas rápidas:
¿El sistema es rígido o con émbolo (cambia el volumen)?
¿Hay transferencia de calor (Q) o está aislado?
¿Hay trabajo además del de frontera? (agitador, resistencia eléctrica)
¿Qué me piden: estado final, Q, W, trabajo de frontera, x, T, P?
Después armás el “mapa” base:
Balance energético para sistema cerrado:
DeltaU = Q - W
y casi siempre:
DeltaU = m*(u2 - u1)
(si despreciás energía cinética y potencial)
Con eso ya sabés cómo arrancar cualquier ejercicio.
2) ¿Cómo sé qué términos del balance puedo despreciar?
En la mayoría de parciales se usa:
m*(u2 - u1) = Q - W
porque normalmente:
DeltaEc = 0
DeltaEp = 0
Atajo de examen:
-
Si no hay movimiento global (no es un cohete, ni flujo) -> Ec y Ep se desprecia.
-
Si es un tanque o pistón común -> trabajás solo con u, Q y W.
3) ¿Qué tipos de trabajo aparecen en sistemas cerrados?
En sistemas cerrados suelen aparecer 3 trabajos:
-
Trabajo de frontera (por cambio de volumen):
Wb = integral(P dV)
Casos típicos:
-
Si P constante -> Wb = P*(V2 - V1)
-
Si V constante (recipiente rígido) -> Wb = 0
-
Trabajo de eje (agitador / paletas):
Wshaft = trabajo que entra por un eje (no depende de dV) -
Trabajo eléctrico (resistencia dentro del sistema):
Welec = V.I.t
Atajo clave:
Si el enunciado dice “agitador” o “resistencia”, eso es trabajo, aunque el volumen no cambie.
4) ¿Cómo sé si el sistema hace trabajo o si le hacen trabajo a él?
Regla simple:
-
Si el sistema se expande (V aumenta) -> el sistema hace trabajo -> Wb positivo (sale energía como trabajo)
-
Si el sistema se comprime (V disminuye) -> le hacen trabajo -> Wb negativo
En el balance:
DeltaU = Q - W
O sea:
Si W aumenta, el sistema pierde energía (si Q no compensa).
Truco de consistencia:
Si le agregás calor y el gas se expande, lo normal es que:
Q > 0 y Wb > 0
5) ¿Qué errores típicos hacen que me dé mal el resultado?
Los más comunes son:
Confundir u con h:
-
En sistema cerrado se usa u (energía interna).
-
h aparece más en flujo (sistemas abiertos), aunque a veces se usa como atajo en P constante.
-
Olvidar que si el recipiente es rígido:
Wb = 0
Usar Celsius donde van Kelvin en gases o Z.
No ubicar bien el estado en tablas:
-
líquido comprimido
-
mezcla saturada
-
vapor sobrecalentado
No calcular calidad cuando estás dentro de curva de saturación.
Sumar mal los trabajos:
en un mismo problema puede haber Wb + Wshaft + Welec.
6) ¿Cómo se resuelven rápido los problemas típicos de pistón y recipiente rígido?
Método rápido universal:
-
Identificá el tipo de sistema:
-
rígido -> V constante -> Wb = 0
-
pistón -> puede haber Wb
-
Ubicá el estado 1 con tablas.
-
Deducí el proceso:
-
P constante
-
V constante
-
hasta tope (cambia de proceso)
-
cambio de fase
-
Usá el balance:
m*(u2 - u1) = Q - Wtotal
Donde:
Wtotal = Wb + Wshaft + Welec
-
Hallás estado 2 con la condición final (P2, V2, T2, x2, etc.)
7) ¿Cómo sé si el ejercicio es “Sistemas Cerrados” o ya es “otro tema”?
Si el problema gira alrededor de:
DeltaU = Q - W
u1, u2 (tablas)
pistón, recipiente rígido
trabajo de frontera, agitador, resistencia
cambio de fase dentro de un recipiente
Entonces es SISTEMAS CERRADOS.
Si aparece:
flujo continuo
entradas y salidas de masa
turbinas, compresores, boquillas
m_dot (caudal másico)
Entonces ya es SISTEMAS ABIERTOS (volumen de control).
TEORIA DE SISTEMAS CERRADOS
EJERCICIO DE PARCIAL RESUELTO EN HOJA
