EJERCICIOS TERMODINAMICA 1. En un salón de clases que normalmente aloja a 40 personas se instalarán unidades de aire acondicionado con capacidad de enfriamiento de 5 kW. Se puede suponer que una persona en reposo disipa calor a una tasa de alrededor de 360 kJ/h. Además, hay 10 focos en el aula, cada uno de 100 W, y se estima que la tasa de transferencia de calor hacia el aula a través de las paredes es de 15000 kJ/h. Si el aire en el aula se debe mantener a una temperatura constante de 21°C, determine el número de unidades de aire acondicionado requeridas. 2. Un automóvil que se mueve a través del aire hace que del aire (medida con respecto al vehículo) disminuya y llene un canal de flujo más grande. Un automóvil tiene un área efectiva de canal de flujo de 3 m2. El automóvil viaja a 90 km/h en un día en el que la presión barométrica es de 70 mm de mercurio y la temperatura es de 20 °C. Detrás del auto la velocidad medida del aire (con respecto al auto) es de 82 km/h, y la temperatura es de 20 °C. Determine la potencia necesaria para mover este automóvil a través del aire y el área del canal efectivo de flujo detrás del automóvil. Ver figura 1.
Figura 1
3. Se bombea agua de un lago hacia un gran recipiente de almacenamiento situado 20 m arriba, a una tasa de 70 L/s con un consumo de potencia eléctrica de 20,4 kW. Sin considerar las pérdidas por fricción en las tuberías ni los cambios de energía cinética, determine a) la eficiencia global de la unidad bomba-motor y b) la diferencia de presión entre la entrada y la salida de la bomba. Ver Figura 2.
Figura 2
4. La fuerza que impulsa el flujo de los fluidos es la diferencia de presión; una bomba trabaja elevando Ia presión de un fluido (convirtiendo el trabajo mecánico de su eje en energía de flujo). Se determina que una bomba de gasolina consume 3,8 kW de potencia eléctrica cuando está trabajando. Si la diferencia de presiones entre la descarga y la succión de la bomba es 7 kPa, y los cambios de velocidad y altura son despreciables, determine el flujo volumétrico máximo posible de la gasolina. Ver Figura 3.
Figura 3
5. Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 0,85 kg de refrigerante 134a, a -10 °C. El émbolo tiene movimiento libre, y su masa es 12 kg, con diámetro de 25 cm. La presión atmosférica local es 88 kPa. Se transfiere calor al refrigerante 134a hasta que su temperatura es 15 °C. Determine a) la presión final, b) el cambio de volumen del cilindro y c) el cambio de entalpia en el refrigerante 134a. Ver Figura 4.
Figura 4
6. Un dispositivo de cilindro-émbolo cargado por resorte se llena inicialmente con 0,2 lbm de una mezcla de líquido y vapor de refrigerante 134a cuya temperatura es 30°F, y cuya calidad es 80 por ciento. En la relación F = kx, la constante del resorte es 37 lbf/pulg, y el diámetro del pistón es 12 pulg. El refrigerante 134a experimenta un proceso que aumenta su volumen en 40 por ciento. Calcule la temperatura final y la entalpia final del refrigerante 134a. Ver Figura 5.
Figura 5
7. Un dispositivo de cilindro-émbolo sin fricción contiene al principio 50 L de líquido saturado de refrigerante 134a. El émbolo tiene libre movimiento, y su masa es tal que mantiene una presión de 500 kPa sobre el refrigerante. A continuación se calienta el refrigerante hasta que su temperatura sube a 70 °C. Calcule el trabajo efectuado durante este proceso. Ver Figura 6.
Figura 6
8. Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene en un principio 0,25 kg de gas de nitrógeno a 130 kPa y 180 °C. Ahora e isotérmicamente el nitrógeno, hasta una presión de 80 kPa. Determine el trabajo de la frontera, efectuado durante este proceso. Ver Figura 7.
Figura 7
9. 1 kg de agua que al principio está a 90 °C, con 10 por ciento de calidad, ocupa un dispositivo de cilindro-émbolo con carga de resorte, como en la figura 8. Entonces se calienta ese dispositivo hasta que la presión sube hasta 800 kPa, y la temperatura es de 250°C. Calcule el trabajo total producido durante este proceso en kJ.
Figura 8
10. Se condensa isotérmicamente vapor saturado a 200 °C hasta líquido saturado, en un dispositivo de cilindro-émbolo. Calcule el calor transferido y el trabajo efectuado durante este proceso, en kJ/kg. Ver Figura 9.
Figura 9
11. Un recipiente rígido con un agitador contiene 1,5 kg de aceite para motor. Determine la tasa de aumento en la energía específica, cuando se transfiere calor al aceite, a la tasa de 1 W, y se aplica 1,5 W de potencia al agitador. Ver Figura 10.
Figura 10
12. Un dispositivo aislado de cilindro-émbolo contiene 5 L de agua líquida saturada a una presión constante de 175 kPa. Una rueda de paletas agita el agua, mientras que pasa una corriente de 8 A durante 45 min, por una resistencia colocada en el
agua. Si se evapora la mitad del líquido durante este ceso a presión constante, y el trabajo de la rueda de paletas es 400 kJ, determine el voltaje de suministro. También, muestre el proceso en un diagrama P-V con respecto a líneas de saturación. Ver figura 11.
Figura 11
13. Un radiador eléctrico con 30 L de aceite se coloca recinto de 50 m3. Tanto el recinto como el aceite del radiador están a 10 °C en un principio. El radiador tiene una potencia nominal de 1,8 kW, y se enciende. Al mismo tiempo, se pierde calor del recinto a una tasa promedio de 0,35 kJ/s. Después de algún tiempo, se mide la temperatura promedio y resulta 20 °C, para el aire en el recinto, y 50 °C para el aceite en el radiador. Suponiendo que la densidad y el calor especifico del aceite sean 950 kg/m3 y 2,2 kJ/kg°C, respectivamente, determine cuánto tiempo se mantuvo encendido el calentador. Suponga que el recinto está bien hermetizado, para no haya fugas de aire. Ver Figura12.
Figura 12
14. El cilindro de la Figura 13 contiene una masa de 0,01 kg de vapor de agua con un calidad de 0,9. El muelle se encuentra en su longitud natural. Se suministra calor hasta que el muelle se comprime 15,7 cm. Calcúlese la temperatura final.
Figura 13
15. El cilindro mostrado en la Figura 14 contiene 6 g de aire. El aire se calienta hasta que el émbolo sube 50 mm. El muelle justo toca al émbolo en la posición inicial. Calcúlese (a) la temperatura cuando el émbolo se separa de los resaltes y (b) el trabajo realizado por el aire sobre el émbolo. Ver Figura 14.
Figura 14
16. 2 kg de aire experimentan el ciclo de tres procesos mostrado en la Figura 15. Calcúlese el trabajo neto.
Figura 15