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PROBLEMAS PRIMERA LEY. SISTEMAS CERRADOS. SUSTANCIAS PURAS

1.

Un metro cúbico de agua a 10.0 MPa y 400°C se halla dentro de un tanque rígido. El fluido se enfría hasta que su temperatura alcanza 320°C. Determine la presión final, en bares, y la transferencia de calor, en kilojoules, si el fluido es a) un gas real y b) un gas ideal, utilizando en ambos casos datos tabulados. c) Calcule el porcentaje de error que se comete al determinar la transferencia de calor si se utiliza el modelo de gas ideal.

2.

Un décimo de kilogramo de agua a 3 bares ocupa en volumen de 0.0303 m3 en un cilindro con émbolo. El sistema recibe 122 kJ de calor. Determine a) la temperatura final, en grados Celsius, y b) la producción de trabajo, en kilojoules. c) Trace la trayectoria en un diagrama Pv, con respecto a la línea de saturación.

3.

Un cilindro con émbolo contiene 1.5 kg de vapor de agua saturado a 3 bares. El sistema recibe 600 kJ de calor, y una rueda de paletas dentro del sistema gira 2000 r. Si la temperatura final es 400°C y la presión se mantiene constante, determine el torque constante que se aplica a la flecha de la rueda de paletas despreciando la energía que la rueda pueda almacenar, en newton-metros.

4.

Un kilogramo de vapor de agua saturado y seco a 5 bares se encuentra en un cilindro con émbolo. El sistema recibe 225 kJ de calor, y se realiza cierta cantidad de trabajo eléctrico al circular una corriente de 1.5 A a través de un resistor en el fluido durante 1.5 h. Si la temperatura final del agua es 400°C y el proceso es a presión constante, determine el voltaje necesario, en voltios, de la pila que da la corriente. Desprecie la energía almacenada en el resistor.

5.

Un cilindro adiabático con émbolo contiene 0.010 kg de agua líquida saturada a 3 bares y 0.040 kg de vapor a 3 bares y 200°C. Inicialmente, las masas están separadas una de la otra por una membrana adiabática. La membrana se rompe cuando la presión es 3 bares, y el sistema evoluciona a su estado de equilibrio. Determine a) el estado final de equilibrio, especificado T y x si se trata de una mezcla húmeda, o T y P si hay sobrecalentamiento, b) el trabajo en joules, y c) qué masa de vapor, en kilogramos, se debería mezclar con los 0.010 kg de líquido para que la mezcla final fuese vapor saturado a 3 bares.

6.

Un tanque rígido contiene refrigerante 134a inicialmente a 2 bares, una calidad de 50.5 % y un volumen de 0.10 m3. Se suministra calor hasta que la presión es 5 bares. Determine a) la masa del sistema, en kilogramos, y b) el calor, en kilojoules. También dibuje el proceso en un diagrama pv.

7.

Un tanque rígido contiene 6.0 kg de refrigerante 134a a 6 bares y 60°C. Una rueda de paletas dentro del tanque suministra energía al fluido mediante un torque constante de 125. N m durante 800 r Al mismo tiempo, el sistema se enfría hasta una temperatura final de 12°C. Determine a) la energía interna final, en kilojoules, y b) la dirección y magnitud de la transferencia de calor, en kilojoules. Además, represente el proceso en un diagrama Pv, con respecto a la línea de saturación. Desprecie la energía almacenada en la rueda de paletas.

8.

Un tanque rígido y cerrado contiene 0.5 kg de vapor de agua saturado y seco a 4 bares. Se suministran 70 kJ de calor y se hace trabajo sobre el fluido por medio de una rueda de paletas hasta que el vapor se halla a 7 bares. Calcule eI trabajo, en kilojoules.

9.

Un recipiente rígido con un volumen de 0.05 m3 está inicialmente lleno con vapor de agua saturado y seco a 1 bar. El contenido se enfría hasta 75°C. a) Represente el proceso en un diagrama Pv con respecto a la línea de saturación, b) ¿Cuál es la presión final, en bares? y c) Halle el calor que emite el agua, en kilojules.

10.

Un tanque rígido y aislado se divide inicialmente en dos secciones mediante una pared. Uno de los lados contiene 1.0 kg de agua líquida saturada inicialmente a 6.0 MPa, y el otro lado está vacío. La pared se rompe, y el fluido se expande hasta ocupar todo el tanque. En el equilibrio llega a 3.0 MPa. Determine a) el volumen inicial del líquido saturado y b) el volumen total del tanque, en centímetros cúbicos. c) Dibuje el proceso en un diagrama Pv con respecto a la línea de saturación.

11.

Un kilogramo de agua, inicialmente a 10 bares y 200°C, se altera isotérmicamente (T = c) hasta que su volumen es el 50°70 de su valor inicial. Durante el proceso, el trabajo de expansión es 170 kJ/kg, Y una rueda de paletas entrega al agua un trabajo de 49 N m/g. a) Determine la magnitud, en kilojoules, y el sentido de cualquier transferencia de calor que pudiese haber. b) Bosqueje el proceso en un diagrama Pv, con respecto a la línea de saturación.

12.

Un décimo de kilogramo de refrigerante 134a es inicialmente una mezcla húmeda con una calidad de 50 % a 40°C. Se expande isotérmicamente hasta una presión de 5 bares. El trabajo que se produce debido a la expansión es 19 N. m/g. a) Determine la magnitud, en kilojoules, y la dirección de cualquier transferencia de calor que pudiese ocurrir, y b) Represente el proceso en un diagrama Pv, con respecto a la línea de saturación.

13.

Un cilindro con pistón contiene dos kilogramos de agua a 320°C. La sustancia pasa por un proceso a temperatura constante pero con un cambio de volumen de 0.02 a 0.17 m3. El trabajo que se produce es 889 kJ. Determine a) la presión final, en bares, y b) la transferencia de calor, en kilo joules. Dibuje además el proceso en un diagrama Pv, relativo a la línea de saturación.

14.

Un cilindro con pistón contiene refrigerante 134a inicialmente a 2.8 bares, 40°C y 0.1 m3. El pistón se mantiene estacionario y se transmite calor hacia el gas hasta que su presión se ha elevado a 3.2 bares. Luego ocurre una transferencia adicional de calor desde el gas durante un proceso en el que el volumen cambia pero la presión es constante. Este último proceso termina cuando la temperatura alcanza 120°C. Suponga que los procesos son cuasiestáticos y halle a) la masa del sistema, en kilogramos, b) la transferencia de calor, en kilojoules, durante el proceso a volumen constante, y c) la transferencia de calor para el proceso a presión constante, en kilojoules.

15.

Un sistema que tiene un volumen inicial de 2.0 m3 se llena con agua a 30 bares y 400°C (estado 1). El sistema se enfría a volumen constante hasta 200°C (estado 2). El primer proceso va seguido por un proceso a. temperatura constante que finaliza con agua líquida saturada (estado 3), Halle la transferencia total de calor, en kilojoules, y su dirección. Represente ambos procesos en un diagrama PV con respecto a la línea de saturación.

16.

Se tiene agua que inicialmente es un vapor saturado a 1.0 bar (estado 1). Se extrae calor a presión constante hasta que el volumen es 1000 cm3/g (estado 2). Luego se suministra calor a volumen constante hasta que se alcanza una presión de 3.0 bares (estado 3). a) Determine el trabajo, el cambio de energía interna y la transferencia de calor del proceso 1-2, en kJ/kg. b) Determine las mismas variables para el proceso 2-3, en kJ/kg. c) Dibuje los dos procesos en un diagrama PV con respecto a la línea de saturación.

17.

Una cantidad de agua a 10.0 MPa y 40°C se calienta a presión constante hasta 180°C. a) Determine el calor necesario, utilizando datos experimentales de líquido comprimido, en kilojouls. b) Repita el cálculo de a empleando corno aproximación datos de saturación. c) ¿Cuál es el porcentaje de error que resulta al aplicarse el segundo método?

18.

Determine el cambio de energía interna y de entalpía. en kJ/kg, de agua para un cambio de estado desde 20°C y 50 bares hasta 80°C y 100 bares empleando a) la tabla de líquido comprimido y b) la regla de aproximación junto con datos de saturación. d) ¿Cuál es el error porcentual que resulta con el segundo método?

Problemas adaptados de Wark, K. Mc. Graw Hill,

y Richards, D (2001).Termodinámica. (6ª Ed.). México: