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• Teffy Lokita

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UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARI LA MOLINA FACULTAD DE INDUSTRIAS ALIMENTARTIAS DPTO: INGENIRIA DE ALIMENTOS Y PRODUCTOS AGROPECUARIOS TERMODINAMICA GENERAL

1. ¿Cuál es la diferencia entre punto triple y punto crítico? 2. Cómo determina Ud. la calidad y humedad del vapor recalentado?? 3. Cuál es el significado físico de hfg? , explique. 4. Un hombre está cocinado frejoles: a) en una olla sin tapa, b) en una olla tapada y c) en una olla a presión. En cual caso el tiempo de cocción será masa corto , Porque?. 5. Deduzca la ecuación para determinar el calor especifico a presión constante 6. En una tubería horizontal perfectamente aislada, ocurre un proceso de flujo estacionario, sabiendo que D1= D2, demuestre que: Cp dt = P dv 7. Deduzca los valores que puede tomar el calor especifico en los siguientes procesos: a) Isoentropico b) Adiabático reversible c) Politrópico 8. Para un gas ideal que sigue un proceso cerrado isotérmico, demuestre que :

 s  RoLn

V2 V1

9. ( ) Mas allá de la temperatura de inversión máxima no es posible enfriar un fluido a través de una expansión isoentalpíca. Explique 10. El único punto en el que pueden coexistir tres fases de una sustancia pura simultáneamente en equilibrio, recibe el nombre de: ......................... 11. Un calor especifico infinito se da en un proceso .................................., seguido por un gas ideal, y significa que : ......................................................................... ............................................................................. 12. Cuando se expande adiabaticamente 1 kg de aire (k = 1.4), Ro = 0.0685 kcal/kg °K) su temperatura desciende 120 °. Cuanto trabajo se obtiene del proceso de expansión. 13. En el sistema internacional de unidades la variación de entropía está dada en ............................................. 14. Explique claramente el experimento de Joule y Thomson (proceso de estrangulamiento) 15. Para un proceso politropico seguido por un gas ideal, demuestre que: dQ = m Cn dT.

24. Demuestre que: Cp = (KRo)/(K-1)J

16. A partir de la ecuación de calor especifico en un proceso politrópico deduzca el valor que toma este en un proceso adiabático reversible? 17. Es posible comprimir isotermicamente un gas ideal en un dispositivo adiabático de cilindro embolo, explique.?? 18. En un proceso de estrangulamiento, bajo qué condiciones son iguales las entalpias de entrada y de salida. 19. Un dispositivo cilíndrico vertical de embolo contiene agua y se calienta encima de una estufa. Durante el proceso se transfiere 65 BTU de calor al agua y se pierden por las paredes laterales 8 BTU. El ascenso del pistón se debe a la evaporación del agua y se realiza un trabajo de 5 BTU. Determine el cambio en la energía interna en BTU y en lb-pie. 20. Un calor especifico infinito se da en un proceso .................................., seguido por un gas ideal, y significa que . ………………………………………………………………… . 21. Cuando se expande de modo isentropico una masa determinada de aire (k = 1.4), Ro = 0.06 kcal/kg °K) su temperatura desciende 120 °. Cuanto trabajo se obtiene del proceso de expansión. La energía interna aumenta o disminuye, cuanto?? 22. En un proceso PVn, demuestre que el calor especifico es Cn = Cv ((k-n) /1-n). Que valores puede tomar Cn??? , podrían ser estos valores negativos, explique. 23. Qué proceso requiere más energía, evaporar 1 kg de agua saturada a 1 at de presión o evaporar 1kg de agua líquida saturada a 8 at de presión. 24. Un recipiente rígido de 0.5 m3 contiene una mezcla satura de liquido - vapor de agua a 100 ºC. El agua se calienta hasta que alcanza el estado crítico. Determine la masa de agua líquida, el volumen ocupado por el liquido en el estado inicial y el calor suministrado a la mezcla. 25. En las centrales se utilizan calentadores abiertos de agua de alimentación. Para calentar el agua de alimentación se utiliza vapor que se extrae de una turbina en una etapa intermedia. Considere un calentador abierto de agua de alimentación que opera a 800 kPa, tal como se indica en la figura. Determine la relación de tasas de flujo de los alimentadores de agua y de vapor.

M1 50ºC 800 kPa

H2O, liq sat. 800 kPa M2 200ºC 800 kPa

Sistema adiabático

26. Un recipiente rígido de 0.5 m3 contiene una mezcla satura de liquido - vapor de agua a 100 ºC. El agua se calienta hasta que alcanza el estado crítico. Determine la masa de agua liquida, el volumen ocupado por el liquido en el estado inicial y el calor suministrado a la mezcla. 27. Suponga que aire inicialmente se encuentra a 240 0F y 8 atm sufre los siguientes cambios: primero se expande en forma reversible e isotérmica a una presión tal cuando se enfría a volumen constante hasta 40 0F su presión final es 2 atm. Suponiendo que el aire es un gas ideal (cp = 7 Cv = 5, BTU/lb 0R) determine : a) Trabajo, b) calor, c) ΔU y d) ΔH 28. Se mezcla dos corrientes de agua como se indica en la figura, determine el flujo másico de agua fría

29. La constante especifica de un gas ideal es Ro = 0.2968 KJ /kg oK, deduzca el valor de esta en sistema métrico y sistema inglés 30. En el sistema adiabático de la figura, determine la relación entre las áreas de salida y entrada

P1 = 3 Mpa T1 = 400 C V1 = 40 m/s

P2 = 2.5 Mpa V2 = 300 m/s

31. Un sistema cilindro pistón contiene líquido saturado a 200 kPa, en estas condiciones el pistón se encuentra a 0.1 m de la base. Considerando que el sistema se mantiene a presión constante, a qué distancia estará el pistón si la temperatura cambia a: a. 200 C b. 100 C c. Dibuje los procesos en los planos Pv y Tv, d. Si es posible calcule la energía transferida en las preguntas a y b 32. Un recipiente rígido contiene vapor en estado crítico. Luego es trasladado a un ambiente, donde pierde calor hasta que la presión baja a 21.3 Kgf/cm2. Calcular la calidad final. Dibuje el proceso en los planos P-v y T-s

33. Supóngase que 0,1 moles de un gas perfecto con Cv R, independiente de la temperatura, sufre el proceso cíclico 12341 que muestra la figura. Calcular el Q, W, U y H en cada etapa y para el ciclo completo. T

250 0C

1

4

2

10 kPa

3

s

34. Un cilindro contiene 0.5 m3 de vapor saturado, se transfiere calor hasta que el volumen se duplica. Determine: la temperatura final, el trabajo hecho por el vapor, el calor transferido y la grafica en el plano P-v 300 kPa

H2O 200 kPa Vap saturado

35. En las centrales se utilizan calentadores abiertos de agua de alimentación. Para calentar el agua de alimentación se utiliza vapor que se extrae de una turbina en una etapa intermedia. Considere un calentador abierto de agua de alimentación que opera a 800 kPa, tal como se indica en la figura. Determine la relación de tasas de flujo de los alimentadores de agua y de vapor. M1 50ºC 800 kPa

H2O, liq sat. 800 kPa M2 200ºC 800 kPa

Sistema adiabático

36. Sesenta kg/h de agua entra al intercambiador de calor (en 1) en estado de liquido saturado a 200 kPa y sale como vapor saturado (en 2).El calor es suministrado al intercambiador de calor mediante un ciclo de Carnot cuyo reservorio de baja temperatura esta a 16 0C. Determine la cantidad de trabajo que hay que suministrar a la bomba de calor

37. Suponga que una lb de aire inicialmente se encuentra a 240 0F y 8 atm sufre los siguientes cambios: primero se expande en forma reversible e isotérmica a una presión tal que cuando se enfría a volumen constante hasta 40 0F su presión final es 2 atm. Suponiendo que el aire es un gas ideal (cp = 7 Cv = 5, BTU/lb 0R) determine: a) Trabajo, b) calor, c) ΔU y d) ΔH. 38. Un sistema embolo / cilindro contiene 50 kilogramo de agua, inicialmente a 200 kPa y 0.1 m3. Se le suministra calor y el embolo se desplaza hasta alcanzar 0.5 m3. Determine el calor transferido

39. En el sistema adiabático, reversible e incompresible mostrado en la fig demuestre : 2 2( P1  P2 ) A1 2 , donde m = flujo másico m  ( A1 / A2 ) 2  1

40. Circula a través de la tubería mostrada en la fig una corriente de vapor, observándose una caída de temperatura debido a la perdida de calor. Determine la perdida de calor y el flujo masico del vapor

41. Un cilindro / pistón contiene 2 kg de agua a 200 ° C, 10 MPa. El pistón se mueve lentamente a través de un proceso isotérmico hasta alcanzar una presión de 200 kPa. (a) Determine el calor transferido a 200 ° C. (b) Dibuje el proceso en los planos Pv y Ts. Asuma que todo el proceso es reversible. 42. El sistema de la Figura contiene 1,5 kg de aire a 27 ° C y 160 kPa. Ahora se calienta hasta 900 0 K a través de un proceso donde la presión varia linealmente con el volumen, duplicándose el volumen inicial. Dibuje el proceso en el plano Pv, encuentre el trabajo y el calor transferido. (use las tablas de aire si lo cree necesario). R aire = 287 J/kg oK

43. Para el sistema adibático reversible de flujo estacionario, determine el flujo másico y la velocidad, la diferencia de presiones está indicada

44. Aire es acelerado a través de un proceso reversible de flujo estacionario, según la Figura. Determine el flujo masico, el área y la temperatura de salida. Ro = 0.287 kPa. m3/kg 0K, Cp = 1.02 kJ/kg/ 0C.

45. Suponga que una lb de aire inicialmente se encuentra a 240 0F y 8 atm sufre los siguientes cambios: primero se expande en forma reversible e isotérmica a una presión tal que cuando se enfría a volumen constante hasta 40 0F su presión final es 2 atm. Suponiendo que el aire es un gas ideal (cp = 7 BTU/lb 0R, Cv = 5 BTU/lb 0R) determine (sistema internacional de unidades) : a) Trabajo, b) calor, c) ΔU y d) ΔH. Dibuje los procesos en el plano P-V y T-S.

46. Un flujo de agua a 1.4 MPa y 180 °C, que se extrae de un pozo geotérmico, se estrangula mediante una válvula de expansión, obteniéndose una mezcla que se introduce inmediatamente en una cámara de separación a 400 KPa, donde se producen una corriente de líquido saturado, que se desecha, y una corriente de vapor saturado, que alimenta a una turbina adiabática que produce 1.4 MW y cuya salida está a 15 kPa y 90% de calidad. Calcule el flujo de agua que se extrae del pozo, en kg/s 47. Un recipiente rígido de 0.5 m3 contiene una mezcla satura de liquido - vapor de agua a 100 ºC. El agua se calienta hasta que alcanza el estado crítico. Determine la masa de agua líquida, el volumen ocupado por el líquido en el estado inicial y el calor suministrado a la mezcla. (3P) 48. Un sistema embolo-cilindro con topes en la parte superior, contiene 3 kg de agua en estado de liquido saturado a 200 kPa. Se transfiere calor al agua, provocando que una parte de liquido se evapore y mueva el embolo hacia arriba. Cuando el embolo alcanza los topes el volumen encerrado es de 60 l. Luego se añade más calor hasta que la presión se duplica. Determine la cantidad de calor (kJ) suministrado durante todo el proceso

49. A un mezclador se introduce 3 kg/s de agua a 300 kPa y 15 °C, para incrementar su temperatura se introduce otra corriente con agua a la misma presión y 140 °C, el mezclador disipa calor a razón de 1356 kJ/min. Si la mezcla se descarga a 300 kPa y 50 °C, determine el flujo de descarga del mezclador en kg/s. 50. Se tiene un sistema cilindro-pistón con 4 kg de agua saturada a 35 oC. Inicialmente el pistón, de área transversal de 0.06 m2, descansa sobre unos topes encerrando un volumen de 0.03 m3. Para elevar el pistón contra la presión atmosférica se requiere aplicar una presión de 300 kPa. Al elevarse, encontrará un resorte ideal cuando el volumen contenido sea de 0.075 m3. Para comprimir este resorte en 1 m se requiere una fuerza de 360 kN. Si la presión final es de 7 MPa, determine el estado final del agua y el trabajo hecho durante el proceso, en kJ. 51. Un flujo de agua a 1.4 MPa y 180 °C, que se extrae de un pozo geotérmico, se estrangula mediante una válvula de expansión, obteniéndose una mezcla que se introduce inmediatamente en una cámara de separación a 400 KPa, donde se producen una corriente de líquido saturado, que se desecha, y una corriente de vapor saturado, que alimenta a una turbina adiabática que produce 1.4 MW y cuya salida está a 15 kPa y 90% de calidad. Calcule el flujo de agua que se extrae del pozo, en kg/s y dibuje el proceso en el plano T-s. 52. Un proceso requiere 1814 kg/h de vapor de agua a 300 °C y 200 kPa. El sistema para abastecer el vapor consiste en una turbina que descarga vapor a 200 kPa y 135 °C y una caldera que genera 1134 kg/h de vapor a 400 kPa y 210 °C. Estas corrientes de vapor se mezclan, sin embargo, antes de mezclarse, la presión de vapor de la caldera se reduce a 200 kPa por medio de una válvula de expansión adiabática. Calcule, en kW, el calor que debe suministrarse después del punto de mezclado para cumplir con las necesidades del proceso.

53. Un flujo de 0.04 kg/s de de gas entra a 400 C y 120 kPa a una turbina y sale a 350 C produciendo un trabajo que se utiliza para accionar un compresor. Al compresor entra aire a 50 C y 100 kPa, saliendo a 130 kPa y 0.018 kg/s. Para aprovechar en un proceso de secado la energía que lleva el aire al salir del compresor, a su salida se coloca un cambiador de calor, del cual el aire proveniente del compresor sale a 80 C. Al cambiador de calor se le introduce aire por otra sección presentándose en su salida un incremento de 22 C. Despreciando las pérdidas por fricción en la turbina y compresor, y considerando a los gases que entran a la turbina como gas ideal. Determine el flujo, en, de aire que se debe introducir en el cambiador de calor para lograr tal proceso. C = 1.005Kj/kg K. 54. Un proceso requiere 1814 kg/h de vapor de agua a 300 °C y 200 kPa. El sistema para abastecer el vapor consiste en una turbina que descarga vapor a 200 kPa y 135 °C y una caldera que genera 1134 kg/h de vapor a 400 kPa y 210 °C. Estas corrientes de vapor se mezclan, sin embargo, antes de mezclarse, la presión de vapor de la caldera se reduce a 200 kPa por medio de una válvula de expansión adiabática. Calcule, en kW, el calor que debe suministrarse después del punto de mezclado para cumplir con las necesidades del proceso. 55. Un flujo de vapor a 10 MPa y 550 °C se introduce a 60 m/seg a una turbina de vapor, descargándose a 25 kPa con una humedad del 5 %. Durante el proceso se presenta una pérdida de calor de 30 kJ/kg. Si las áreas de entrada y salida de la turbina son 150 cm2 y 1400 cm2 respectivamente, calcule la potencia desarrollada, en W. 56. En un proceso industrial se utiliza un sistema neumático compuesto de un cilindro y un émbolo, libre de fricción; en dicho sistema se tienen inicialmente 7 g de un gas ocupando 2.4 l el cual sufre una pérdida de calor a presión constante de 5 kJ disminuyendo su volumen hasta un cuarto de su valor inicial; a continuación se realiza una expansión a temperatura constante hasta alcanzar el volumen inicial del primer proceso debido al suministro de 7 kJ en forma de calor; finalmente se triplica su presión a volumen constante alcanzando 112.5 kPa. El cambio de energía interna total que se presenta en dicho dispositivo es de 8.1452 KJ. Determine el cambio de energía interna específica del último proceso, en kJ/kg. 57. En invierno se requiere que dentro de un recinto de 40 m3 se mantenga el aire (k = 1.4, Ro = 0.287 kJ/kg K) a 22 °C. Para esto se introduce al recinto un calentador eléctrico con 30 l de aceite (C = 2200J/g °C, ρ = 950 kg/m3). Al inicio el aire del recinto y el aceite se encuentran a 10 °C. El calentador tiene 1.8 kW netos, y se enciende. Al mismo tiempo, se disipa calor del recinto a razón de 0.5 kJ/seg. Si al llegar el aire a 22 °C dentro del recinto la temperatura del aceite es 50 °C, calcule, en min, el tiempo de operación del calentador para lograr la temperatura de del aire.