Enunciados
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5.9
El agua agua en un depósito depósito rígido cerrado de 150 lt se encuentra a 100 ºC con 90% de calidad. El depósito depósito se enfría a -10 ºC. Calcule la transferencia de calor durante el proceso.
5.14
Considere un Dewar de 100 lt (un recipiente recipiente rígido de doble pared para almacenar almacenar líquidos criogénicos) criogénicos) como se muestra en la figura P5.14. El Dewar contiene nitrógeno a 1 atm, que es 80% líquido y 20% de vapor en volumen. El aislamiento mantiene la transferencia de calor del ambiente al Dewar a un valor tan bajo como 5 J/s. Accidentalmente, la válvula de ventilación se cierra de modo que la presión en el interior aumenta con lentitud. Se estima que el Dewar se romperá cuando la presión llegue a 500 kPa. ¿Cuánto tiempo transcurrirá hasta alcanzar esta presión?
FIGURA P5.14
5.20
En un conjunto conjunto de pistón y cilindro cilindro con presión presión constante constante a 450 ºC y un volumen volumen de 0.633 m3 se encuentran diez kilogramos de agua. Se enfrían luego a 20 ºC. Represente el diagrama P- v y calcule el trabajo y la transferencia de calor para el proceso.
5.27
Un pistón sostenido sostenido por un perno en un un cilindro aislado, aislado, como se muestra en la figura P5.27, contiene 2 kg de agua a 100 ºC, con calidad de 98%. El pistón y las pesas tienen una masa total de 102 kg, con un área transversal de 100 cm 2 y la presión ambiente es de 100 kPa. Se quita el perno, lo que permite que se mueva el pistón. Determine el estado final del agua si se supone que el proceso es adiabático.
5.28
Un conjunto de pistón y cilindro tiene tiene un resorte resorte lineal; lineal; la atmósfera atmósfera exterior actúa actúa sobre el pistón, como se ilustra en la figura P5.28. Contiene agua a 3 MPa y 400 º C, y su volumen es de 0.1 m3. Si el pistón se encuentra en la parte inferior, el resorte ejerce una fuerza tal que se requiere una presión interior de 200 kPa para equilibrar las fuerzas. Ahora el sistema se enfría hasta que la presión alcanza 1 MPa. Determine la transferencia de calor para el proceso.
Nota: 5.34
Realizar diagrama P-v del proceso.
Un cilindro que tiene un pistón restringido por un resorte lineal, contiene 0.5 kg de vapor vapor de agua 1
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saturado a 120 ºC, como se muestra en la figura P5.34. Se transfiere calor al agua, lo que hace que el pistón se eleve y, durante el proceso, la fuerza de resistencia del resorte es proporcional a la distancia que se mueve. La constante del resorte es de 15 kN/m. El área transversal del pistón es de 0.05 m2. a) ¿Cuál es la presión en el cilindro cuando la temperatura interior llega a 600 ºC? b) Calcule la transferencia de calor para el proceso. 5.45
Una cápsula de 1 lt contiene agua a 700 kPa y 150 ºC. Se coloca en un recipiente mayor, aislado y al vacío. La cápsula se rompe y el contenido llena todo el volumen. ¿Cuál debe ser el volumen del recipiente si la presión final no debe exceder de 200 kPa?
5.51
Un conjunto de pistón y cilindro, que se muestra en la figura P5.51, contiene R-12 a -30 ºC, x = 20%. El volumen es de 0.2 m3. Se sabe que Vtope = 0.4 m3 y si el pistón descansa sobre el fondo, la fuerza del resorte equilibra las otras cargas sobre el pistón. Ahora se calienta hasta 20 ºC. Determine la masa del fluido y trace el diagrama P-v. Calcule el trabajo y la transferencia de calor.
5.55
Un bloque de cobre con volumen de 1 lt se trata con calor a 500 ºC y se enfría en un baño de aceite de 100 lt que inicialmente se encuentra a 20 ºC, como se muestra en la figura P5.55. ¿Cuál es la temperatura final, si se supone que no hay transferencia de calor con el entorno?
Nota: Las propiedades
del aceite se aproximan por las de petróleo liviano, ver tabla A9 del texto.
5.67
Dos recipientes se llenan con aire; uno es un depósito rígido, A, y el otro es un conjunto de pistón y cilindro, B, que se conecta a A por medio de una tubería y una válvula, como se muestra en la figura P5.67. Las condiciones iniciales son: mA = 2 kg, TA = 600 K, PA = 500 kPa y VB = 0.5 m3, T B = 27 ºC, PB = 200 kPa. El pistón B soporta la atmósfera exterior y la masa del pistón está sujeta al campo gravitacional estándar. Se abre la válvula y el aire llega a condiciones uniformes en ambos volúmenes. Si se supone que no hay transferencia de calor, determine la masa inicial en B, el volumen del depósito A, la presión y la temperatura final y el trabajo, 1W2.
5.75
Un depósito A rígido de 50 1t y un cilindro se conectan como se muestra en la figura P5.75. Un delgado pistón libre de fricción separa a B y C, cada parte tiene un volumen inicial de 100 lt. A y B contienen amoniaco y C contiene aire. Inicialmente la calidad en A es de 40% y las presiones en B y C son de 100 kPa. La válvula se abre lentamente y el sistema alcanza una presión común. Todas las temperaturas son la ambiente, 20 ºC, durante el proceso. a) Determine la presión final. 2
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b) Calcule el trabajo que se realiza sobre el aire. c) Calcule la transferencia de calor al sistema combinado.
FIGURA P5.75
5.76
Un conjunto de pistón y cilindro contiene gas argón a 140 kPa y 10 ºC, y el volumen es de 100 lt. El gas se comprime en un proceso politrópico hasta 700 kPa y 280 ºC. Calcule la transferencia de calor durante el proceso.
5.79
Un cilindro cerrado se divide en dos compartimentos por medio de un pistón libre de fricción, que se sostiene en su sitio por medio de un perno, como se muestra en la figura P5.79. El compartimiento A tiene 10 1t de aire a 100 kPa y 30 ºC, y el compartimiento B tiene 300 1t de vapor de agua saturado a 30 ºC. El perno se retira y se libera el pistón, con lo que ambos compartimentos llegan al equilibrio a 30 ºC. Si se considera una masa de control del aire y del agua, determine el trabajo que el sistema realiza y la transferencia de calor al cilindro.
FIGURA P5.79
5.90
El objetivo de una tobera es producir una corriente de fluido de alta velocidad a expensas de su presión, como se muestra en la figura 5.90. A una tobera aislada entra vapor sobrecalentado de amoniaco a 20 ºC, 800 kPa, con baja velocidad y a razón constante de 0.01 kg/s. El amoniaco sale a 300 kPa con una velocidad de 450 m/s. Determine la temperatura (o la calidad, si es saturado) y el área de salida de la tobera.
5.91
Un difusor es un dispositivo a régimen permanente con flujo estable, como se muestra en la figura P5.91, que se utiliza para desacelerar un fluido de alta velocidad en una forma que está diseñada para aumentar la presión del fluido (esencialmente el proceso opuesto de una expansión en una tobera). Considere un difusor al que entra aire a 100 kPa y 300 K, con una velocidad de 200 m/s. El área transversal de la entrada del difusor es de 100 mm 2. En la salida, el área es de 860 mm2 y la velocidad de salida es de 20 m/s. Determine la presión de salida y la temperatura del aire.
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5.93
En un sistema de irrigación se utiliza una bomba de agua pequeña. La bomba toma agua de un río a 10 ºC y 100 kPa, a razón de 5 kg/s. La línea de salida entra a una tubería que se eleva 20 m por arriba de la bomba y del río, donde el agua corre a un canal abierto. Suponga que el proceso es adiabático y que el agua permanece a 10 ºC. Determine la potencia de bomba que se requiere.
5.94
Un condensador (cambiador de calor) lleva un flujo de 1 kg/s de agua a 10 kPa desde 300 ºC hasta líquido saturado a 10 kPa, como se muestra en la figura P5.94. El enfriamiento se hace por medio del agua de un lago a 20 ºC y esta agua se devuelve al lago a 30 ºC. Determine el caudal de agua de enfriamiento para un condensador aislado.
5.103
Un desobrecalentador mezcla vapor de agua sobrecalentado con agua líquida en una relación tal que produce vapor de agua saturado sin ninguna transferencia de calor externa. A un desobrecalentador entran un flujo de 0.5 kg/s de vapor sobrecalentado a 5 MPa y 400 º C y un flujo de agua líquida a 5 MPa y 40 ºC. Si se produce vapor de agua saturado a 4.5 MPa, determine el caudal de agua líquida.
5.105
Cuando se requiere un suministro de vapor para proporcionar energía a los procesos industriales se utiliza con frecuencia la cogeneración. Suponga que se necesita un suministro de 5 kg/s de vapor a 0.5 MPa. En lugar de generarlo con una bomba y una caldera, se utiliza el sistema que se representa en la figura P5.105 de modo que el suministro de vapor se extrae de la turbina de alta presión. Determine la potencia que la turbina cogenera en este proceso.
5.114
Se propone utilizar un suministro geotérmico de agua caliente para hacer funcionar una turbina de vapor, como se muestra en la figura P5.114. El agua a presión elevada, a 1.5 MPa y 180 ºC, pasa por una reducción hacia la cámara de un evaporador instantáneo, que forma líquido y vapor a una presión inferior de 400 kPa. El líquido se desecha mientras que el vapor saturado alimenta a la turbina y sale a 4
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10 kPa y 90% de calidad. Si la turbina debe producir 1 MW, calcule el flujo másico requerido de agua geotérmica caliente en kilogramos por hora.
5.118
Un depósito aislado, de 2 m3, contiene amoniaco a -20 ºC y 80% de calidad; se conecta por medio de una válvula a una línea por la que fluye amoniaco a 2 MPa y 60 ºC. La válvula se abre para permitir que el amoniaco fluya al depósito. ¿A qué presión se debe cerrar la válvula si en el estado final el fabricante desea tener 15 kg de amoniaco en el interior?
5.122
Un globo de 0.5 m de diámetro contiene aire a 200 kPa y 300 K; se une mediante una válvula a una tubería por la que fluye aire a 400 kPa y 400 K. Se abre la válvula y se permite que el aire fluya al globo hasta que la presión en el interior llegue a 300 kPa, punto en el cual se cierra la válvula. La temperatura final dentro del globo es de 350 K. La presión es directamente proporcional al diámetro del globo. Calcule el trabajo y la transferencia de calor durante el proceso.
5.124
En la figura P5.124 se muestra una máquina de vapor movida por una turbina. El depósito de la caldera tiene un volumen de 100 lt e inicialmente contiene líquido saturado con una cantidad muy pequeña de vapor a 100 kPa. El quemador agrega calor y el regulador de presión no se abre antes de que la presión en la caldera llegue a 700 kPa, la cual se mantiene constante. El vapor saturado entra a la turbina a 700 kPa y se descarga a la atmósfera como vapor saturado a 100 kPa. El quemador se apaga cuando ya no hay más líquido en la caldera. Determine el trabajo total de la turbina y la transferencia de calor total a la caldera para este proceso.
Nota: Considere
que cuando llega a 700 kPa el fluido se encuentra en estado líquido saturado (calidad cero). Realizar diagrama P- v del proceso que sufre el agua que se está condensando.
5.126
Un recipiente aislado de 2 m3, como se muestra en la figura P5.126, contiene vapor saturado a 4 MPa. Se abre una válvula en la parte superior del recipiente y se permite que escape el vapor. Durante el proceso, cualquier líquido que se forma se recoge en el fondo del recipiente, de modo que únicamente sale vapor saturado. Calcule la masa total que ha escapado cuando la presión interior llega a 1 MPa.
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5.130
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Un cilindro, como se muestra en la figura P5.130, equipado con un pistón restringido por un resorte lineal, contiene 1 kg de R-12 a 100 ºC y 800 kPa. La constante del resorte es de 50 kN/m y el área de la sección transversal del pistón es de 0.05 m2. Se abre una válvula y sale R-12 del cilindro hasta que solamente queda la mitad de la masa inicial. Se transfiere calor de modo que la temperatura final del R-12 es de 10 ºC. Determine el estado final del R-12 (P2,, x2) y la transferencia de calor al cilindro.
FIGURA P5.130
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