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• Juan Manuel Uceda Pérez

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Capítulo 2.- La primera ley de la Termodinámica Práctica N°05 TERMODINÁMICA TÉCNICA PRÁCTICA N°05 1. Un recipiente rígido de 10 L contiene inicialmente una mezcla de agua líquida y vapor a 100°C con calidad de 12.3%. Luego se calienta la mezcla hasta que su temperatura es de 150°C. Calcule la transferencia de calor necesaria para este proceso. 2. Un sistema cilindro-pistón contiene 2 kg de H2O a 150 kPa y tiene un volumen de 0.35 m 3, El pistón se mueve haciendo que el volumen final en el cilindro sea de 2.314 m 3. Durante el movimiento del pistón desde el estado inicial al final existe transferencia de calor hacia el cilindro, lo que permite mantener la temperatura constante. a) ¿Cuál es la presión final en el cilindro? b) ¿Cuánto trabajo realizó el vapor de agua? c) Evalúe la transferencia de calor durante el proceso. d) Dibuje el proceso en los diagramas P-V y P-H, marcando el estado inicial como 1 y el estado final como 2. 3. Considerar el dispositivo cilindro-pistón que se muestra en la siguiente figura, el cual contiene 0.20 kg de agua pura. El área de la sección transversal del pistón es 0.50 m 2, y su altura inicial mide 0.7172 m sobre la base del cilindro. La presión inicial es 1.0 bar. Un resorte, cuya constante lineal k = 1.62×105 N/m, se encuentra adherido al pistón. Inicialmente, el resorte no ejerce alguna fuerza sobre el muy delgado pistón. Un bloque, cuya masa m = 20.408 kg, se posiciona, posteriormente, sobre el pistón provocado la compresión del gas hasta que las fuerzas se balancean de nuevo. Durante el proceso de compresión, 6.17×105 J/kg de trabajo se realiza sobre el sistema. a) Bosqueje el proceso en un diagrama P-V. Dibuje el área que representa el trabajo. b) ¿Cuánto calor, en kJ/kg, se ha transferido durante el proceso?

4. Un depósito rígido está conectado a una línea presurizada por la que circula continuamente vapor de agua a 1.0 MPa y 280 °C. Inicialmente la válvula que conecta la línea y el depósito está cerrada, y este contiene 0.20 kg de vapor de agua a 300 kPa y 160°C. Se abre la válvula y entra lentamente vapor en el depósito hasta que el vapor del depósito se encuentra a 500 kPa y 200°C. En ese instante, determínese (a) la masa que ha entrado al depósito, en kg, y (b) el calor transferido desde o hacia el depósito durante el proceso, en kJ. 5. Un pequeño tanque rígido de 1.00 ft3 en volumen contiene vapor de agua saturada a 300°F. Un contenedor rígido inicialmente evacuado de 3.4549 ft3 en volumen se adjunta al primer tanque y la válvula de interconexión se abre. El sistema combinado es entonces llevado al equilibrio a 300°F permitiéndose la transferencia de calor durante el proceso. Determine la presión final en el sistema y la transferencia de calor requerida.

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Capítulo 2.- La primera ley de la Termodinámica Práctica N°05 6. Un dispositivo cilindro-pistón bien aislado está conectado a una línea de suministro de CO 2 a través de una válvula, tal como se muestra en la siguiente figura. Inicialmente no hay CO2 en el dispositivo. Posteriormente, la válvula se abre permitiendo el flujo de CO2 al interior de este. ¿Cuál es la temperatura del CO2 cuando el volumen dentro del dispositivo cilindropistón sea de 0.1 m 3? ¿Cuánto CO2 ha ingresado al cilindro? Considere el CO2 como un gas ideal con una capacidad calorífica constante, cp = 37 J/(mol K).

7. Un depósito de 1.0 m 3 de volumen está lleno hasta la mitad con refrigerante 134a líquido y el espacio que queda está lleno con el vapor. La presión es 8.0 bar. Se suministra calor hasta que la mitad de la masa de líquido se evapora, mientras automáticamente, una válvula permite que salga un flujo másico de vapor saturado tal que la presión dentro del depósito permanezca constante. Determínese el calor que es necesario suministrar, en kJ. 8. Un dispositivo cilindro-émbolo contiene inicialmente 0.10 kg de vapor de agua saturado a 10 bar. A través de una válvula inicialmente cerrada el cilindro se conecta a una línea por la que circula vapor de agua a 20 bar y 500°C. En un proceso a presión constante, que se mantiene por el peso del émbolo, entra vapor al cilindro hasta que su contenido alcanza 300°C, mientras que simultáneamente se pierde, a través de las paredes del cilindro, una cantidad de calor de 90.0 kJ. Determínese la cantidad de masa que entra al cilindro en kg. 9. Un tanque rígido tiene un volumen de 0.01 m 3. Este inicialmente contiene agua saturada a una temperatura de 200°C y calidad de 0.4. En la parte superior del tanque se encuentra una válvula que permite mantener constante la presión dentro del tanque. Este sistema se somete a un proceso en donde es calentado hasta que todo el líquido se vaporiza. ¿Cuánto calor (en kJ) se requiere en el proceso? Asuma que no hay caída de presión en la línea de salida.

10. Un depósito rígido y aislado se encuentra inicialmente vacío. Se permite que entre al depósito aire atmosférico a 1 atm y 70°F hasta que la presión alcanza 1 atm. (a) Calcúlese la temperatura final del aire del interior del depósito, en °F. (b) Considérese ahora que el depósito contiene inicialmente aire a 0.5 atm y 70°F. Determínese la temperatura final en este caso.

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Capítulo 2.- La primera ley de la Termodinámica Práctica N°05 11. Un depósito de 0.5 m 3 de volumen está lleno hasta la mitad con agua líquida y el espacio que queda está lleno con vapor. La presión es 30 bar. Se suministra calor hasta que la mitad de la masa de líquido se evapora mientras automáticamente una válvula permite que salga un flujo másico de vapor saturado de manera que la presión permanezca constante. Determínese el calor suministrado, en kJ. 12. Un tanque rígido de acero de 1.0 m3 de volumen contiene aire a 500 kPa y, tanto el recipiente como el aire, se encuentran a 20°C. El tanque es conectado a una línea de suministro de aire que fluye a 2 MPa y 20°C. La válvula se abre, permitiendo el flujo de aire hacia el tanque hasta que la presión alcanza 1.5 MPa, y luego se cierra. Asuma que el aire y el tanque se encuentran siempre a la misma temperatura y que la temperatura final es 35°C. Determine la masa final de aire en el recipiente y el calor transferido durante el proceso. 13. Un cilindro de gas de 10 ft3 de volumen que contiene inicialmente nitrógeno a una presión de 10 atm y una temperatura de 230 K se conecta a otro cilindro de 10 ft3 de volumen evacuado. Se abre una válvula entre los dos cilindros hasta que las presiones en ambas se hagan iguales. Calcúlese la temperatura y la presión finales de cada cilindro si no hay flujo calórico de entrada o salida a los cilindros, ni entre el gas y el cilindro. Se puede suponer que el gas es ideal con una capacidad calorífica a presión constante de 7 Btu/(lbmol °F). 14. Un dispositivo cilindro-émbolo está unido mediante una válvula a una fuente a presión constante y temperatura constante. Inicialmente, el volumen del cilindro es 1 ft 3, la temperatura del aire es 100°F y la presión 14.7 psia. La válvula se abre lentamente a la línea de suministro de aire que está a 100 psia y 200°F. El émbolo se desplaza al entrar el aire para mantener la presión del cilindro a la presión ambiente de 14.7 psia. Cuando el volumen del cilindro alcanza 2 ft3, calcúlese (a) la temperatura en el interior del cilindro, en °F, y (b) la masa, en lb, que ha entrado por la válvula. El proceso es adiabático. 15. Un recipiente rígido contiene 0.4 m 3 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. 16. Un recipiente aislado rígido, que inicialmente está evacuado, se conecta con un tubo de suministro de helio a 200 kPa y 120 °C, a través de una válvula. Se abre la válvula y se deja entrar helio a 200 kPa, y en ese momento se cierra la válvula. Determine el trabajo de flujo de helio en el tubo de suministro y la temperatura final del helio en el recipiente. 17. Un cilindro de acero contiene inicialmente gas nitrógeno a 200 kPa y 25 °C. El cilindro está conectado a una línea de suministro que contiene nitrógeno a 800 kPa y 25 °C. Se abre una válvula permitiendo que el nitrógeno fluya al interior del cilindro hasta que la presión llega a 800 kPa. El volumen interno del cilindro es 0.1 m 3, su masa (sólo del cilindro) es 50 kg y su calor específico es 0.43 kJ/(kg K). Calcule la masa final de nitrógeno en el recipiente y la temperatura final del nitrógeno, suponiendo para el nitrógeno calores específicos constantes a temperatura ambiente, y suponiendo a) ninguna transferencia de calor del nitrógeno al recipiente, y b) transferencia rápida de calor entre el nitrógeno y el recipiente, de tal manera que el cilindro y el nitrógeno permanezcan en equilibrio térmico durante el proceso (con transferencia despreciable de calor del cilindro a su entorno externo). 18. Un recipiente rígido de 0.03 m 3 contiene refrigerante 134a a 1 MPa y de 100 por ciento de calidad. Ese recipiente se conecta por medio de una válvula con una línea de suministro que conduce el refrigerante 134a a 1.6 MPa y 36 °C. Entonces, se abre la válvula y se deja que el refrigerante entre al recipiente. Cuando se observa que el recipiente contiene líquido saturado a 1.6 MPa se cierra la válvula. Determine a) la masa del refrigerante que entró al recipiente y b) la cantidad de calor transferido.

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Capítulo 2.- La primera ley de la Termodinámica Práctica N°05 19. Considere el sistema que se muestra en siguiente figura. El tanque A tiene un volumen de 100 L y contiene vapor saturado de R-134a a 30°C. Cuando la válvula se abre, el R-134a fluye lentamente hacia el cilindro B. La presión en el cilindro debe ser 200 kPa para poder elevar el pistón. El proceso finaliza cuando la presión en el tanque A ha caído a 200 kPa. Durante este proceso, se transfiere calor entre el equipo y el entorno de tal manera que la temperatura del R-134a siempre permanezca a 30 ° C. Calcule el calor transferido durante el proceso.

20. Un tanque rígido A de 0.6 m 3 de volumen contiene 3 kg de agua a 120°C, y un tanque rígido B de 0.4 m3 de volumen contiene agua a 600 kPa y 200°C. Ambos se encuentran conectados a un dispositivo cilindro-pistón, inicialmente vacío, mediante válvulas (ver la siguiente figura). La presión en el cilindro debe ser 800 kPa para poder elevar el pistón. Posteriormente, las válvulas se abren y se transfiere calor con la finalidad de que el agua alcance un estado uniforme de 250°C con las válvulas abiertas. Determine el volumen y la presión finales, y el trabajo y el calor transferido involucrados en el proceso.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1) Balmer, R. (2011). Modern Engineering Thermodynamics. New York, the United States of America: Elsevier Inc. 2) Borgnakke, C. & Sonntag, R. (2009). Fundamentals of Thermodynamics. New York, the United States of America: John Wiley & Sons, Inc. 3) Cengel, Y. y Boles, M., (2012). Termodinámica. México D.F., México: McGraw HillInteramericana. 4) Koretsky, M., (2013). Engineering and Chemical Thermodynamics. New York, the United States of America: Pearson Education, Inc. 5) Moran, M. y Shapiro, H. (2004). Fundamentos de Termodinámica Técnica. Barcelona, España: Reverté, S.A. 6) Sandler, S. (1980). Termodinámica en la Ingeniería Química. México D.F., México: John Wiley and Sons, Inc. 7) Sandler, S. (2006). Chemical, Biochemical, and Engineering Thermodynamics. New York, the United States of America: John Wiley and Sons, Inc. 8) Wark, K. y Richards, Jr., D. (2001). Termodinámica. Madrid, España: McGraw-HillInteramericana.

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