Problemas Capitulo 4.pdf

Facultad de Ciencia y Tecnología Realizado por: Pedro Monsalve Profesor: Andrés López H. Materia: Termodinámica Tema: Transferencia de energía Fecha: 19/05/2020 Problemas del capítulo 4 4-117 ¿Tiene significado el concepto de calor específico (a volumen constante o a presión constante) para sustancias que experimentan un cambio de fase? ¿Por qué sí o por qué no? Depende, ya que, durante el cambio de fase, se convierte en un proceso de presión constante y de temperatura constante. Entonces, el calor especifico a volumen constante no tiene significado. 4-118 Se calientan 10 kg de nitrógeno, de 20 °C a 250 °C. Determine la cantidad de calor total necesaria cuando el proceso es a) a volumen constante y b) isobárico.

4-119 Considere un salón de clase que pierde calor al exterior a razón de 12 000 kJ/h. Si hay 40 estudiantes en la clase y cada uno disipa calor sensible a razón de 84 W, determine si es necesario encender el calefactor en el salón para evitar que descienda la temperatura.

4-120E 2 lbm de aire está dentro de un recipiente rígido, bien aislado, que contiene una rueda de paletas. El estado inicial del aire es 30 psia y 60 °F. ¿Cuánto trabajo, en Btu, debe transferir la rueda de paletas al aire, para elevar su presión a 40 psia? También, ¿cuál es la temperatura final del aire?

4-121 Se expande aire en un proceso poli trópico con n = 1.5, de 2 MPa y 300 °C a 80 kPa, en un dispositivo de cilindro émbolo. Determine la temperatura final del aire.

4-122 Nitrógeno a 100 kPa y 25 °C se calienta en un recipiente rígido hasta que su presión es 300 kPa. Calcule el trabajo que se realiza y el calor que se transfiere durante este proceso, en kJ/kg.

4-123 Un recipiente rígido bien aislado contiene 3 kg de agua líquida saturada a 40 °C. El recipiente también contiene una resistencia eléctrica que pasa 10 amperes cuando se le aplican 50 volts. Determine la temperatura final en el recipiente, cuando la resistencia ha estado trabajando durante 30 minutos. 4-124 Deduzca una ecuación general para determinar el trabajo producido por un gas ideal al pasar por un proceso poli trópico en un sistema cerrado, del estado inicial 1 al

estado final 2. Su resultado debe estar en función de la presión y temperatura iniciales, y de la presión final, así como de la constante R del gas y del exponente poli trópico n. 4-125 Un dispositivo cilindro-embolo sin fricción contiene 0.15 m3 de aire a 100 kPa. En este estado, un resorte lineal (F x) toca al émbolo, pero no ejerce fuerza sobre él. El aire se calienta hasta un estado final de 0.45 m3 y 800 kPa. Determine a) el trabajo total efectuado por el aire y b) el trabajo efectuado contra el resorte. También, muestre el proceso en un diagrama P-v. 4-126 Dentro de un dispositivo de cilindro-émbolo hay 5 kg de un vapor húmedo de agua a 125 kPa. Al principio hay 2 kg de agua en la fase líquida, y el resto está en la fase de vapor. Entonces, se transfiere calor al agua; el émbolo, que descansa en un conjunto de topes, comienza a subir cuando la presión en la interior llega a 300 kPa. La transferencia de calor continúa hasta que el volumen total aumenta en 20 por ciento. Determine a) las temperaturas inicial y final, b) la masa del agua líquida cuando comienza a subir el émbolo y c) el trabajo efectuado durante este proceso. También trace el proceso en un diagrama P-v.

4-127E Un globo esférico contiene 7 lbm de aire a 30 psia y 600 R. El material de que está hecho es tal que la presión en el interior siempre es proporcional al cuadrado del diámetro. Calcule el trabajo efectuado cuando el volumen del globo aumenta al doble, como resultado de una transferencia de calor.

4-129 En un dispositivo de cilindro-émbolo están contenidos 12 kg de vapor saturado de refrigerante 134a, a 240 kPa. Entonces se transfieren 300 kJ de calor al refrigerante, a presión constante, por medio de una resistencia en su interior conectada a un suministro de voltaje de 110 V durante 6 min. Determine la corriente aplicada, para que la temperatura final sea 70 °C. También muestre el proceso en un diagrama T-v, con respecto a líneas de saturación.

4-130 Vapor saturado de agua a 200 °C se condensa como líquido saturado a 50 °C, en un dispositivo de cilindro-émbolo. Determine la transferencia de calor para este proceso, en kJ/kg.

4-131 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 0.5 m3 de gas de helio a 150 kPa y 20 °C. Entonces, el helio se comprime en un proceso poli trópico (PVn = constante) hasta 400 kPa y 140 °C. Determine el calor perdido o ganado durante este proceso. 4-132 En un proceso poli trópico se expande gas de nitrógeno, con n = 1.45, de 2 MPa y 1 200 K, a 200 kPa, en un dispositivo de cilindro-émbolo. ¿Cuánto trabajo se produce, y cuánto calor se transfiere durante este proceso de expansión, en kJ/kg?

4-133 Un dispositivo de cilindro-émbolo sin fricción, y un recipiente rígido, contienen 12 kg de un gas ideal, cada uno a la misma temperatura, presión y volumen. Se desea elevar 15 °C las temperaturas de ambos sistemas. Determine la cantidad de calor adicional, en comparación con el recipiente rígido, que se debe suministrar al gas en el cilindro, que se mantiene a presión constante, para lograr ese resultado. Suponga que la masa molar del gas es 25.

4-134 Una casa con calentamiento solar pasivo, pierde calor al ambiente, a una tasa promedio de 50,000 kJ/h; se mantiene siempre a 22 °C durante una noche invernal, durante 10 h. La casa se va a calentar con 50 recipientes de vidrio, y cada uno de ellos contiene 20 L de agua que se calienta durante el día hasta 80 °C absorbiendo energía solar. Hay un calentador eléctrico de respaldo, controlado por termostato, de 15 kW, que se enciende cuando es necesario para mantener la casa a 22 °C. a) ¿Cuánto tiempo trabaja el sistema eléctrico esa noche? b) ¿Cuánto tiempo trabajaría el calentador eléctrico esa noche, si la casa no tuviera calentamiento solar?

4-135 Un elemento calefactor con resistencia eléctrica de 1.800 W se sumerge en 40 kg de agua a 20 °C. Determine cuánto tiempo tardará en aumentar la temperatura del agua hasta 80 °C.

4-136 Una tonelada (1 000 kg) de agua líquida a 80 °C se guarda en un recinto bien aislado y bien sellado, de 4 m x 5 m x 6 m de dimensiones, que está inicialmente lleno de aire a 15 °C y 95 kPa. Suponiendo que los calores específicos del agua y del aire son constantes e iguales a los calores específicos a la temperatura ambiente, determine la temperatura final de equilibrio en el recinto.

4-137 Se va a calentar un recinto de 4 m x 5 m x 6 m de dimensiones con una tonelada (1 000 kg) de agua líquida contenida en un tanque que se introduce al recinto lleno de aire. El recinto pierde calor al exterior, a una tasa promedio de 8.000 kJ/h. Al principio, sus condiciones son 20 °C y 100 kPa, y siempre se mantiene a una temperatura promedio de 20 °C. Si el agua caliente debe satisfacer las necesidades de calentamiento de ese recinto durante 24 horas, determine la temperatura mínima del agua cuando se introduce al recinto. Suponga que los calores específicos del aire y del agua son constantes e iguales a los calores específicos a la temperatura ambiente.

4-138 Se va a determinar el contenido de energía en cierto alimento, en una bomba calorimétrica que contiene 3 kg de agua; se queman 2 g de la muestra en presencia de 100 g de aire, en la cámara de reacción. Si la temperatura del agua aumenta 3.2 °C cuando se establece el equilibrio, determine el contenido energético del alimento, en kJ/kg, despreciando la energía térmica almacenada en la cámara de reacción, y la energía suministrada por el mezclador. ¿Cuál es el error aproximado que se comete al despreciar la energía térmica almacenada en la cámara de reacción?

4-139 Una persona pesa 68 kg, y su temperatura corporal promedio es 39 °C; toma 1 L de agua fría a 3 °C, para tratar de enfriarse. Suponiendo que el calor específico promedio de ese hombre es 3.6 kJ/kg · °C, calcule la disminución de la temperatura corporal media de esa persona, debida a esa agua fría.

4-140 Se va a enfriar un vaso con 0.3 L de agua a 20 °C con hielo, hasta 5 °C. Determine cuánto hielo se necesita agregar, en gramos, si está a) a 0 °C y b) a 20 °C. También determine cuánta agua se necesitaría si el enfriamiento se hiciera con agua fría a 0 °C. La temperatura de fusión y el calor de fusión del hielo a la presión atmosférica son 0 °C y 333.7 kJ/ kg, respectivamente, y la densidad del agua es 1 kg/L.

4-142 Un recipiente rígido contiene 0.4 m3 de aire a 400 kPa y 30 °C, se conecta con una válvula a un dispositivo de cilindro émbolo, cuyo volumen mínimo es cero. La masa del émbolo es tal que se requiere una presión de 200 kPa para subirlo. Entonces, se abre un poco la válvula, y se deja que pase aire al cilindro, hasta que la presión en el recipiente baje a 200 kPa. Durante este proceso se intercambia calor con los alrededores, de tal modo que el aire en su conjunto permanece siempre a 30 °C. Determine el calor transferido en este proceso.

4-143 Un recinto lleno de aire de 4 m x 4 m x 5 m de dimensiones, bien aislado, está a 10 °C. Entonces se calienta con un sistema de calefacción que consta de un radiador con vapor de agua. El volumen del radiador es 15 L, y se llena con vapor sobrecalentado de agua a 200 kPa y 200 °C. En ese momento, se deben cerrar las válvulas de entrada y salida. Se usa un ventilador de 120 W de potencia para distribuir el aire en el recinto. Se observa que la presión del vapor de agua baja a 100 kPa en 30 min, debido a la transferencia de calor al recinto. Suponga que el calor específico del aire es constante e igual al calor específico a la temperatura ambiente, y determine la temperatura promedio del aire a los 30 min. Suponga que la presión del aire en el recinto permanece constante en 100 kPa.

4-144 Un cilindro horizontal rígido, bien aislado, está dividido en dos compartimientos por un émbolo que tiene libre movimiento, pero que no permite el paso de gases entre los dos lados. En un principio, en un lado del émbolo hay 1 m3 de gas de N2 a 500 kPa y 120 °C, mientras que el otro lado contiene 1 m3 de gas de He a 500 kPa y 40 °C. Entonces, se establece el equilibrio térmico en el cilindro, como resultado de la transferencia de calor a través del émbolo. Use calores específicos constantes a temperatura ambiente para determinar la temperatura final de equilibrio en el cilindro. ¿Cuál sería su respuesta si el émbolo estuviera fijo?

Si el émbolo estuviera fijo, la temperatura final de equilibrio térmico sería la misma, debido a que el émbolo fijo sólo afectaría a la presión, no al calor específico. 4-145 Repita el problema 4-144, suponiendo que el émbolo está hecho con 8 kg de cobre, e inicialmente está a la temperatura promedio de los dos gases en sus dos caras.

4-147 Un dispositivo aislado de cilindro-émbolo contiene 1.4 kg de agua líquida saturada a 200 °C. Entonces se enciende una resistencia eléctrica colocada en el

cilindro, durante 20 min, hasta que el volumen aumenta al cuádruple. Determine a) el volumen del cilindro, b) la temperatura final y c) la potencia nominal de la resistencia.

4-148 Un dispositivo de cilindro-émbolo vertical, de 12 cm de diámetro, contiene un gas ideal a las condiciones del ambiente: 1 bar y 24 °C. La cara interna del émbolo está a 20 cm del fondo del cilindro. Entonces, un eje externo ejerce una fuerza sobre el émbolo, que equivale a una entrada de trabajo de la frontera de 0.1 kJ. La temperatura del gas permanece constante durante el proceso. Determine a) la cantidad de calor transferido, b) la presión final en el cilindro y c) la distancia que se desplaza el émbolo.

4-149 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 0.35 kg de vapor de agua a 3.5 MPa, con 7.4 °C de sobrecalentamiento. A continuación, el vapor de agua pierde calor a los alrededores, y el émbolo baja, hasta un conjunto de topes, y en ese punto el cilindro contiene agua líquida saturada. El enfriamiento continúa hasta que el cilindro contiene agua a 200 °C. Determine a) la presión final y la calidad (si es una mezcla); b) el trabajo de la frontera; c) la cantidad de calor transferido cuando el émbolo llega a los topes, y d) el calor total transferido.