PRIMERA GUIA DE TERMODINÁMICA
Problema 1.
Convertir 1000 (cal/min) en (BTU/s)
Problema 2. Convertir 8 (L atm) en (calorías) Problema 3. Convertir 132 (BTU/(lb mol °F) en (cal/(mol °K) Problema 4. A partir del valor de la constante de los gases, R = 0.082 at-l/gmol-K, encontrar su valor en J/gmol-K, Btu/lbmol-R, cal/gmol-ºC, at-m3/kgmol-K.
Problema 5.
Un automóvil que viaja a una velocidad constante de 80 km/h durante 1,1
horas, consume 9,5 litros de gasolina. El contenido de energía de la gasolina es de 44000 kJ/kg y su densidad es de 0,75 g/cm3. La potencia desarrollada en las ruedas del automóvil es 22 kW. a) Determine la eficiencia térmica del motor, en porcentaje, suponiendo que la combustión libera completamente el contenido de energía del combustible.
R.:27,8% b) Determine el rendimiento del combustible en km/L y mi/gal. R.: 9,26 km/l, 21,78
millas/gal Problema 6. La planta de energía de una pequeña industria genera 11600 kg/h de vapor de agua, y produce 3800 kW de energía. La planta consume 1450 kg/h de carbón, que tiene un contenido de energía de 29000 kJ/kg. a) Determine la eficiencia global de la planta, en porcentaje. R.: 32,5 % b) Si la energía adicionada al vapor de agua, a partir de la combustión del carbón dentro de la unidad generadora de vapor es igual a 2950 kJ/kg, ¿Qué fracción de la energía liberada del carbón se agrega al vapor?. R.: 0,814
Problema 7. Un calentador central casero consume 4,3 L/h de combustible, cuya densidad es 0,88 g/cm3 y cuyo contenido de energía es 46400 kJ/kg. El calentador transfiere 124000 kJ/h de calor. Determine la eficiencia de conversión de energía química a térmica, en porcentaje. R.:70,6%
Problema 8. La aceleración de la gravedad como función de la elevación sobre el nivel del mar, a una latitud de 45° puede expresarse mediante g = 9,807 – 3,32*10 – 3,32*10-6 Z , donde g está dado en m/s 2 y Z en metros. Calcule la elevación sobre el nivel del mar, en kilómetros, H. Zuleta 2018
a la cual el peso de una persona habrá disminuido en : a) 1%, b) 2% y c) 4%. R.:a) 29,5 Km,
b) 59,1 Km c) 118,15 Km Problema 9. Si la presión barométrica es de 930 mbar, convierta: a) una presión absoluta de 2,3 bar a una lectura manométrica en bar, b) una lectura de 500 mbar de vacío a un valor absoluto en bar, c) 0,70 bar absolutos a milibares de vacío y d) una lectura de 1,3 bar absolutos a un valor manométrico en kPa. R.: a) 1,37 bar, b) 0,43 bar, c) -230 bar
Problema 10. Una montañista lleva consigo un barómetro, en el cual mide una presión de 950 mbar en la base de la montaña. En el curso de su ascenso efectúa tres mediciones adicionales, que corresponden a a) 904 mbar, b) 864 mbar y c) 785 mbar. Estime la distancia vertical en metros que ha ascendido a partir de la base, suponiendo una densidad promedio de 1,2 kg/m3 para el aire. No considere el afecto de la altura sobre la aceleración de gravedad. R.: a) 391 m, b) 731 m, c) 1403 m
Problema 11. Un cilindro vertical contiene un gas a 0,15 MPa, mediante un émbolo cuya masa total es m. El área de la sección transversal del cilindro es 400 mm 2. La presión atmosférica en el exterior del cilindro es 1 bar. Determine el valor de m en kilogramos, utilizando el valor estándar de la aceleración de la gravedad. R.: 2,04 kg
Problema 12 . Una lata de refresco a temperatura ambiente se pone dentro del refrigerador para que se enfríe. ¿Podría usted modelar la lata de refresco como un sistema cerrado o un sistema abierto?
Problema 13. Considere el proceso de calentar agua en la parte superior de una parrilla eléctrica. ¿Cuáles son las formas de energía involucradas en este proceso? ¿Cuáles son las transformaciones de energía que suceden?
Problema 14. En un sistema que se encuentra en equilibrio termodinámico, ¿la temperatura y la presión son iguales en todos los lados?
Problema 15. ¿El estado del aire en un cuarto aislado está completamente especificado por la temperatura y la presión?.
Problema 16. El barómetro básico puede utilizarse para medir la altura de un edificio. Si las lecturas barométricas en la parte superior y en la base del edificio son 730 y 755 mm Hg, respectivamente, determine la altura del edificio. Suponga una densidad promedio del aire de 1,18 kg/m3
Problema 17. La temperatura de un sistema aumenta 30°C durante un proceso de calentamiento. Exprese este aumento de temperatura en Kelvin. R.: 30°K
H. Zuleta 2018
Problema 18. La temperatura temperatura de un sistema disminuye 27°F durante un proceso de enfriamiento. Exprese esta reducción de temperaturas temperaturas en K, R y C. R.: 27°R, 15°K, 15°C Problema 19. La mitad inferior de un recipiente cilíndrico de 10 m de altura se llena con agua ( ρ = 1000 kg/m 3 ) y la mitad superior con aceite que tiene una densidad relativa de 0,85. Determine la diferencia de presión entre la parte superior y el fondo del cilindro.
R.:90,7 kPa Problema 20. Un globo aerostático esférico con un diámetro de 6 m se llena con helio a 20°C y 200 kPa. Determine el número de moles y la masa del helio en el globo.
Problema 21. Se produce una obstrucción en una tubería de una fábrica, de 4 pulgadas de diámetro interno a una distancia de 6,5 m de un orificio de entrada. Para destaparlo se emplea aire a presión inyectado mediante una bomba de émbolo de 6 litros de capacidad por embolada. ¿Qué presión existe en la tubería después de 50 emboladas? R.: 5,69 atm
Problema 22. La presión en una llanta de automóvil depende de la temperatura del aire en la llanta. Cuando la temperatura del aire es 25°C, el medidor de presión registra 210 kPa. Si el volumen de la llanta es 0,025 m3, determine el aumento de presión en la llanta cuando la temperatura del aire en su interior aumenta a 50°C. También determine la cantidad de aire que debe sacarse para regresar la presión a su valor original a esta temperatura. Suponga que la presión atmosférica es 100 kPa. R.: a) 26 kPa, b) 0,007 kg
Problema 23. Un tanque de 1 m3 que contiene aire a 25°C y 500 kPa se conecta, por medio de una válvula, a otro tanque que contiene 5 kg de aire a 35°C y 200 kPa. Después se abre la válvula y se deja que todo el sistema alcance el equilibrio térmico de los alrededores que se encuentran a 20°C. Determine el volumen del segundo tanque y la presión de equilibrio final del aire. R.: V = 2,21 m 3, Peq = 283,9 kPa
Problema 24. A una profundidad de 25 m debajo de la superficie del mar (densidad = 1025 kg/m3), donde la temperatura es 5°C, un buzo exhala una burbuja de aire que tiene un volumen de 1 cm 3. Si la temperatura de la superficie del mar es 20°C, ¿Cuál es el volumen de la burbuja justo antes de que se rompa en la superficie?
Problema 25. Algunos afirman que el gas oxígeno a 160°K y 3 MPa puede tratarse como un gas ideal con un error menor al 10%. ¿Es válida esta afirmación?.
Problema 26. ¿Cuál es el porcentaje de error implicado al tratar dióxido de carbono a 3 MPa y 10°C como un gas ideal? R.: 25%
H. Zuleta 2018
Problema 27. Se debe calentar 1 litro de agua desde 25°C hasta que hierva (100°C), usando un calefactor eléctrico de 1000 Watts. ¿Cuánto tiempo tomará este proceso?.¿En cuánto tiempo se evapora toda el agua?.
Problema 28. Una masa de 1,2 kg de aire a 150 kPa y 12°C está contenida en un dispositivo hermético de gas de cilindro-émbolo sin fricción. Después el aire se comprime hasta una presión final de 600 kPa. Durante el proceso se transfiere calor desde el aire para que la temperatura en el interior del cilindro se mantenga constante. Calcule el trabajo realizado durante este proceso. R.: - 136 kJ
Problema 29. Un gas inicialmente a 300°K se somete a una expansión isobárica a 2,5 kPa. Si el volumen aumenta de 1 a 3 m3, y si 12,5 kJ de energía se transfieren por calor, calcule a) el cambio en la energía interna. b) su temperatura final. R.: a) 7,5 kJ b) 900 K
Problema 30. Nitrógeno en un estado inicial de 300°K, 150 kPa y 0,2 m 3 se comprime lentamente en un proceso isotérmico hasta hasta una presión final de de 800 kPa. Determine el trabajo efectuado durante este proceso. R.: - 50,2 kJ
Problema 31. Un gas se comprime desde un volumen inicial de 0,42 m3 hasta un volumen final de 0,12 m3. Durante este proceso de cuasiequilibrio, la presión cambia con el volumen de acuerdo con la relación P = aV + b, donde a = -1200 kPa/m3 y b = 600 kPa. Calcule el trabajo realizado durante este proceso: a) grafique el proceso en un diagrama PV y encuentre el área bajo la curva del proceso, y efectué las integraciones necesarias.
H. Zuleta 2018
