HOMEWORK 4 4-1 Se comprime argón en un proceso politrópico, con n =1.2, de 120 kPa y 10 °C hasta 800 kPa, en un disposit
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HOMEWORK 4 4-1 Se comprime argón en un proceso politrópico, con n =1.2, de 120 kPa y 10 °C hasta 800 kPa, en un dispositivo de cilindro-émbolo. Determine el trabajo producido y el calor transferido durante este proceso de compresión, en kJ/kg.
4-2 Un dispositivo de cilindro-émbolo con resorte contiene 1 kg de dióxido de carbono. Este sistema se calienta de 100 kPa y 25 °C a 1 000 kPa y 300 °C. Determine la transferencia total de calor al sistema y el trabajo producido por el sistema.
4-3 En un dispositivo de cilindro-émbolo con carga variable y con una rueda de paletas integrada al cilindro, hay aire. Al principio está a 500 kPa y 27 °C. Entonces se hace girar la rueda de paletas mediante un motor eléctrico externo, hasta que se ha transferido al aire la energía de 50 kJ/kg en forma de trabajo. Durante este proceso se transfiere calor para mantener constante la temperatura del aire, y al mismo tiempo se triplica el volumen del gas. Calcule la cantidad requerida de transferencia de calor, en kJ/kg. Respuesta: 44.6 kJ/kg
4-4 Una masa de 15 kg de aire, en un dispositivo de cilindro-émbolo, se calienta de 25 a 77 °C, haciendo pasar corriente por un calentador de resistencia en el interior del cilindro. La presión dentro del cilindro se mantiene constante en 300 kPa durante el proceso, y hay una pérdida de calor de 60 kJ. Determine los kWh de energía eléctrica suministrada. Respuesta: 0.235 kWh
4-5 Un dispositivo de cilindro provisto de un cilindro-pistón contiene aire. El émbolo descansa inicialmente en un conjunto de topes, y se necesita una presión de 300 kPa para mover el émbolo. Inicialmente, el aire está a 100 kPa y 27 °C, y ocupa un volumen de 0.4 m3. Determine la cantidad de calor que se transfiere al aire, en kJ, al aumentar la temperatura a 1 200 K. Suponga que el aire tiene calores específicos constantes evaluados a 300 K. Respuesta: 340 kJ
4-6 Un bloque de hierro de 1 kg se calienta de 25 a 75 °C. ¿Cuál es el cambio en la energía interna total y en la entalpía total? 4-7 Considere una plancha de 1 000 W, cuya base es de aleación de aluminio 2 024-T6 (ρ= 2 770 kg/m3 y cp = 875 J/kg · °C) y de 0.5 cm de espesor. Esa base tiene 0.03 m 2 de superficie. Primero, la plancha está en equilibrio térmico con el aire ambiente a 22 °C. Suponiendo que el 90 por ciento del calor generado en los alambres de resistencia se transfiera a la base, determine el tiempo mínimo necesario para que la plancha llegue a 200 °C.
4-8 Un dispositivo de cilindro-émbolo sin fricción contiene 0.15 m 3 de aire a 100 kPa. En este estado, un resorte lineal (F α 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. Respuestas: a) 135 kJ, b) 105 J
4-9 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 politrópico (PV n = constante) hasta 400 kPa y 140 °C. Determine el calor perdido o ganado durante este proceso. Respuesta: Se pierden 11.2 kJ
4-10 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. Respuestas: a) 0.00648 m3, b) 200 °C, c) 0.0623 kW