GUÍA DE EJERCICIOS PARA LABORATORIO #2
1. 5 kg de agua están contenidos en un arreglo cilindro-pistón, inicialmente a 5 bar y 240°C. El agua es calentada lentamente a presión constante hasta un estado final. Si la transferencia de calor en el proceso es de 2960 kJ, determine la temperatura del estado final, en °C, y el trabajo en kJ. 2. Se encuentra agua en un arreglo cilindro-pistón, como se muestra en la figura. Inicialmente a 1.5 bar y 20% de calidad, es calentado hasta que el pistón llega a los topes. El calentamiento continúa hasta que el agua se convierte en vapor saturado. Muestre los procesos en un diagrama T-v respecto al domo de saturación. Encuentre el trabajo y el calor en cada proceso, en kJ/kg. 3. Tres libras de agua están contenidas contenidas en un arreglo cilindro-pistón. Inicialmente ocupa un volumen V 1=30 ftˆ3 a T1=300°F. El agua se somete a dos procesos:
Proceso 1-2: Compresión
isotérmica hasta V 2=11.19 ftˆ3, durante este proceso ocurre
una transferencia de calor del agua de 1275 Btu.
Proceso 2-3: Calentamiento
a volumen constante hasta P3=120 lbf/inˆ2.
Muestre los procesos en un diagrama T-v. Determine el trabajo del proceso 1-2 y la transferencia de calor en el proceso 2-3, cada una en Btu. 4. Se tiene R-410a es un arreglo cilindro-pistón, como se muestra en la figura, donde el volumen es 11 L cuando el pistón llega a los topes. El estado inicial es -30°C, 150 kPa, con un volumen de 10 L. El sistema se calienta hasta los 15°C. a) ¿Llega el pistón a los topes en el estado final? b) Encuentre el trabajo realizado por el R-410a durante el proceso. 5. Complete esta tabla para el agua:
T [°F]
P [psia]
300 500 400
u [Btu/lbm]
h [Btu/lbm]
Descripción de fase
782 40 120 400
Líquido Saturado
6. Un dispositivo de cilindro-embolo contiene 0.85 kg de refrigerante 134a, a -10°C. El émbolo tiene movimiento libre, y su masa es 12 kg, con un 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 entalpía en el refrigerante.
7. 10 kg de refrigerante 134a, a 300 kPa, llenan un recipiente rígido cuyo volumen es de 14 L. Determine la temperatura y la entalpía total en el recipiente. Ahora se calienta el recipiente, hasta que la presión es de 600 kPa. Determine la temperatura y la entalpía total del refrigerante, cuando el calentamiento se termina. 8. Complete esta tabla para el refrigerante 134a:
T [°F]
P [psia]
u [Btu/lbm]
80 15 10
h [Btu/lbm]
X
78 0.6
70 180
129.46
110
1
9. Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 0.005 m ˆ3 de agua líquida y 0.9 mˆ3 de vapor de agua, en equilibrio a 600 kPa. Se transmite calor a presión constante, hasta que la temperatura llega a 200°C. a) ¿Cuál es la temperatura inicial del agua? b) Calcule la masa total de agua, c) Calcule el volumen final , d) Indique el proceso en un diagrama P-v con respecto a las líneas de saturación. 10. Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene inicialmente 1.4 kg de agua líquida saturada a 200°C. Entonces, se transmite calor al agua, hasta que se cuadriplica el volumen, y el vapor sólo contiene vapor saturado. Determine a) el volumen del recipiente, b) la temperatura y presión finales, y c) el cambio de energía interna del agua. 11. Considere dos tanques, A y B, conectados por una válvula. Cada uno tiene un volumen de 200 L y el tanque A contiene R-134a, a 25°C, y 10% del volumen en forma de líquido, mientras que el tanque B está al vacío. Se abre la válvula y fluye vapor saturado desde A hacia B hasta que la presión en B ha alcanzado la de A, punto en el cual se cierra la válvula. Este proceso ocurre lentamente de tal manera que todas las temperaturas se mantienen en 25°C durante el proceso. ¿Qué tanto cambió la calidad durante el proceso? 12. Dos resortes se encuentran en un arreglo cilindro/pistón donde la masa del pistón es despreciable y la presión atmosférica es de 100 kPa. Supongamos que el pistón está en el fondo del cilindro, ambos resortes están relajados y el segundo resorte entra en contacto con el pistón a un volumen de 2 mˆ3. El cilindr o
contiene amoniaco inicialmente T=-5°C, x=0.13 y V=1 mˆ3 donde es calentado hasta una presión final de 1200 kPa. ¿A qué presión está el pistón al nomás tocar el segundo resorte? Determine la temperatura final y el trabajo total. La constante es la misma para ambos resorte s.
13. Un cilindro vertical tiene un pistón de 90 kg sujeto por un perno, el cual retiene a 10 L de R134a a 10°C y 90% de calidad. La presión atmosférica es de 100 kPa y el área transversal del cilindro es de 0.006 mˆ2. Se retira el perno y se permite que el pistón se mueva y llegue al reposo con
una temperatura final de 10°C para el R134a. (a) Encuentre la presión y el volumen finales; (b) Encuentre el trabajo que realiza el R134a.
14. Un dispositivo de cilindro- émbolo contiene 0.1 mˆ3 de agua líquida y 0.9 mˆ3 de vapor de agua, en equilibrio a 800 kPa. Se transmite calor a presión constante, hasta que la temperatura llega a 350 °C. (a) ¿Cuál es la temperatura inicial del agua? (b) Calcule la masa total de agua (c) Calcule el volumen final (d) Indique el proceso en un diagrama P-v con respecto a las líneas de saturación. (e) Deje variar la presión de 0.1 MPa hasta 1 MPa. Grafique la masa total de agua en función de la presión y describa los resultados. 15. Se encuentran 10 kg de agua en un arreglo cilindro-pistón a 100 kPa, con calidad del 50%. Se calienta a un punto que el volumen se triplica. La masa del pistón es tal que se necesita una presión interna de 200 kPa para levantarlo (ver figura). a) Encuentre la temperatura final y el volumen del agua. b) Encuentre el trabajo realizado por el agua. c) Esquematice el proceso en un diagrama P -v con respecto al domo de saturación.
16. Se deja enfriar vapor de agua a 180 psia y 500°F, a volumen constante, hasta que la temperatura baja a 250°F. En el estado final, calcule a) la presión b) la calidad y c) la entalpía. También muestre el proceso en un diagrama T-v con respecto a las líneas de saturación. Ahora haga otro gráfico donde varíe la presión entre 100 psi y 300 psi y trace la gráfica de calidad en función de la presión inicial e indíquelo en un diagrama T-v en su domo de saturación. 17. Un conjunto de pistón y cilindro contiene 1 kg de agua a 20°C con un volumen de 0.1 m ˆ3. Inicialmente el pistón descansa sobre unos topes y con la parte superior abierta a la atmosfera, de modo que se requiere de una presión de 300 kPa para levantarlo. ¿A qué temperatura se deberá calentar el agua para levantar el pistón? Determine la temperatura final, el volumen, el calor transferido y el trabajo efectuado por el agua, si el estado final es vapor saturado. 18. Un conjunto cilindro-pistón contiene R-134a a - 30°C, x=0.20. El volumen inicial es de 0.2 mˆ3.Se sabe que el volumen en los topes es de 0.4 mˆ3 y que si el pistón desc ansara sobre el fondo del
cilindro, la fuerza del resorte equilibraría a las otras cargas sobre el pistón. Ahora se calienta el conjunto hasta los 20°C. Determine la masa del fluido y trace un diagrama P-V. Calcule el trabajo y la transferencia de calor totales.
19. Un recipiente de 0.25 mˆ3 de capacidad se llena con vapor de agua saturado a 1500 kPa. Si el recipiente se enfría hasta que se ha condesado el 25% del vapor. ¿Cuánto calor se transfiere y cuál es la presión final? 20. El amoníaco en un conjunto de pistón-cilindro se encuentra a 700 kPa y 80°C. Se le enfría a presión constante hasta que se convierte en vapor saturado (estado 2), punto en el cual el pistón se asegura por medio de un perno. El enfriamiento continúa hasta -10°C (estado 3). Muestre los procesos 1 a 2 y 2 a 3 en un diagrama P-v con respecto al domo de saturación. Calcule el trabajo realizado y e l calor intercambiado. 21. Dos kilogramos de agua están contenidos en un arreglo cilindro-pistón con un pistón de masa despreciable cargado con un resorte lineal, como se muestra en la figura. Inicialmente el resorte no e jerce fuerza y P1 = P0 = 100kPa con un volumen de 0.2 mˆ3. Si el pistón justo llega a los topes superiores, el volumen es 0.8 m ˆ3 y T=600°C. Se calienta hasta que la presión alcanza 1.2 MPa. Encuentre la temperatura final, muestre el proceso en un diagrama P-v respecto al domo de saturación, y encuentre el trabajo realizado durante el proceso. 22. Un resorte lineal y la atmósfera actúan sobre un conjunto cilindro-pistón. El cilindro contiene agua a 5 MPa y 400°C, y el volumen es de 0.1 mˆ3. Si el pistón se encuentra en el fondo, el
resorte ejerce una fuerza tal que se requiere una Pelevación = 200 kPa. El sistema se enfría hasta que la presión alcanza los 1200 kPa. Calcule la masa de agua y v1. Determine el estado final (T2, v2), trace el proceso en un diagrama P-v con respecto al domo de saturación, calcule el trabajo
y el calor intercambiado 23. Se enfría vapor sobrecalentado de 180 psia y 500°F a volumen constante, hasta que la temperatura desciende hasta 250°F. Para el estado final calcule a) la presión, b) la calidad, c) la entalpía. Muestre el proceso en un diagrama T-v con respecto a las líneas de saturación; d) use el EES para investigar el efecto de la presión inicial sobre la calidad del agua en el estado final. Haga que la presión varíe de 100 psi a 300 psi. Trace una gráfica de calidad en función de la presión inicial; también represente el proceso indicado al inicio en un diagrama T-v usando la función de graficar propiedades en EES. 24. Un arreglo cilindro-pistón contiene 1 kg de R-134a en el estado 1 con 110°C, 600 kPa. Se enfría hasta vapor saturado en el estado 2 mientras que el pistón se bloquea con un perno. Ahora el pistón es balanceado con una fuerza adicional constante y se remueve el perno. El enfriamiento continúa hasta el estado 3, donde el R134a es líquido saturado. Muestre los procesos en un diagrama P-v respecto del domo de saturación y encuentre el trabajo hecho en cada proceso.
25. Un dispositivo de cilindro-émbolo sin fricción contiene al principio 200 L de líquido saturado de R134a. El émbolo tiene libre movimiento, y su masa es tal que mantiene una presión de 900 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. Investigue el efecto de la presión sobre el trabajo efectuado. Varíe la presión de 400 a 1200 kPa. Trace una gráfica del trabajo en función de la presión y describa los resultados. Explique por qué la gráfica no es lineal. Trace el primer proceso descrito en un diagrama P-v con su domo de saturación. 26. Un cilindro tiene un pistón conectado a un resorte lineal (k = 15 kN/m) contiene 0.5 kg de vapor saturado a 120°C, como se muestra en la figura. Se transfiere calor al agua, causando que el pistón se eleve. Si el área del pistón es 0.05 m ˆ2 y la presión varía linealmente con el volumen hasta que se alcanza una presión final de 500 kPa, encuentre la temperatura final del agua y el calor transferido en el proceso. Realice un diagrama P-v de l proceso respecto al domo de saturación. 27. Un cilindro provisto con un pistón carente de fricción contiene 2 kg de refrigerante R134a como vapor sobrecalentado a 1 MPa y 100°C. El cilindro se enfría de modo que el R134a permanece a presión constante hasta que alcanza una calidad de 75%. Represente el cambio de los estados a través del proceso en pasos de 5 grados sobre un diagrama T-v hasta alcanzar el estado final. 28. Un dispositivo de cilindro émbolo contiene 0.8 kg de nitrógeno, inicialmente a 100 kPa y 27°C. Se comprime lentamente el nitrógeno, en un proceso politrópico durante el cual PV
n
cons tan te ,
hasta que el volumen se reduce a la mitad. Investigue el efecto del
exponente politrópico variando su valor de 1.1 a 1.6 con intervalos de 0.1; trace los procesos en un diagrama P-V y haga diagramas del trabajo y del calor en función del valor de n 29. Un cilindro vertical tiene un pistón de 61.18 kg bloqueado por un perno, atrapando 10 L de R-410a a 10°C y 90% de calidad. La presión atmosférica es de 100 kPa, y el área del pistón es de 0.006 mˆ2. Se remueve el perno, permitiendo que el pistón se mueva y llega a reposo con una temperatura final de 10°C. Encuentre la presión final, el volumen final, y el trabajo hecho por el R-410a. Represente el proceso en un diagrama P-v respecto al domo de saturación. 30. La cámara izquierda, de 1.5 ftˆ3, de un sistema dividido se llena con 2 lbm de agua a 500 psia. El volumen de la cámara derecha también es de 1.5 ft ˆ3, y está inicialmente al vacío. A continuación se rompe y se transfiere calor al agua hasta que su temperatura llega a 300°F. Determine la presión final del agua, en psia, y la energía interna total, en Btu, en el estado final.
31. Un dispositivo de cilindro-émbolo, con un grupo de topes, contiene inicialmente 0.3 kg de vapor de agua a 1.0 Mpa y 400°C. El lugar de los topes corresponde al 60 por ciento del volumen inicial. Entonces, se enfría el vapor de agua. Determine el trabajo de compresión, si el estado final es a) 1.0 Mpa y 250°C, y b) 500 kPa. c) También determine la temperatura del est ado final en el inciso b). 32. Un dispositivo cilindro-pistón contiene una mezcla bifásica líquido-vapor de amoníaco inicialmente a 500 kPa con 98% de calidad. Se produce una expansión a un estado donde la presión es 150 kPa. Durante el proceso la presión y el volumen específico están relacionados por pv = constante. Para el amoníaco, determine las transferencias de calor y trabajo por unidad de masa, en kJ/kg. 33. En un dispositivo de cilindro-émbolo están contenidos 12 kg de vapor saturado de refrigerante 134a, a 240 kPa. Entonces se transfieren 300 kJ de calor al refrigerante, a presión constante, por medio de una resistencia en su interior conectada a un suministro de voltaje de 110 V durante 6 min. Determine la corriente aplicada, para que la temperatura final sea 70°C. También muestre el proceso en un diagrama T-v, con respecto a las líneas de saturación. 34. Un sistema que consiste en 2 kg de agua recorre un ciclo compuesto de los siguientes procesos:
Proceso 1-2: expansión
con pv =constante desde vapor saturado a 100 bar hasta 10 bar.
Proceso 2-3:
Proceso 3-1: calentamiento
proceso a presión constante hasta v3=v1. a volumen constante.
Represente el ciclo sobre diagramas p-v y T-v respecto a las líneas de saturación. Desprecie los efectos de las energías cinética y potencial, determine el trabajo neto para el ciclo y la transferencia de calor para cada proceso, todo ello en kJ. 35. Una mezcla bifásica líquido-vapor de agua, inicialmente a 1.0 MPa con una calidad de 9 0%, está contenida en un depósito rígido, bien aislado. La masa de agua es 2 kg. Una resistencia eléctrica en el depósito transfiere energía al agua con una potencia constante de 60 W. Determine el tiempo, en horas, cuando la temperatura en el depósito alcanza 200°C. 36. Cinco kg de vapor de agua saturado están contenidos en un depósito rígido a una presión inicial de 40 bar. La presión del agua cae a 20 bar como consecuencia de la cesión de calor al ambiente. Determínese el volumen del depósito, en m ˆ3, y la calidad del estado final.
