PROBLEMAS DE TERMODINAMICA UNIDAD 1 y 2. 1.- Un Un pequeño p equeño cohete c ohete ex experimental perimental que qu e ti tiene ene 70 kg de ma masa sa se acelera ace lera a 6,0 m/ m/s s2. ¿Qué fuerza fuerza total se necesita, en en newtons, si (a) el co cohete hete se mu mueve eve horizontalmente y sin s in f ricción, ricción, y (h) el co cohete hete se mu mueve eve verticalmente verticalmente ha hacia cia arriba arriba y 2 sin fricción, fricción, en en un lugar lugar donde la aceleración aceleración local es 9,45 9,4 5 m/s m/s ? 2.- Un depósito de aire de 20 Ft 3 está dividido por una membrana en una parte A, con un volumen específico inicial de 0,80 ft 3/lbm, Y una parte B con una masa de 12,0 lbm • Se rompe la membrana y la den sidad resultante es 1,350 lbm/ Ft 3. Calcúlese el volumen específico inicial de la parte B, en Ft 3/lbm. 3.- Determíne etermínes se la pr esión esión equi equivalente valente a 1 bar en función función de los metro etros s de una columna de líquido a temperatura temperatura ambiente, ambiente, donde el lí líquido quido es (a) agua, ( b) b) alcohol etílico, y (e) mercurio. La den densidad sidad r elativa elativa del de l alcoh alcohol ol etílico es 0,789, la densidad r elativa elativa del mercurio es 13,59 y g = 9,80 9,80 m/ m/s". s". 4.-. La pr esión esión manométrica de un sistema es equivalente a una altura de de 75 cm de un fluido fluido de den densidad sidad r elativa elativa 0,75. 0, 75. Si la presión pre sión barométrica es 0,980 Bar, calcúlese ca lcúlese la presión pre sión ab absoluta soluta en en el interior de d e la cá cámara, mara, en mbar. 5.-. La pr esión esión manométrica de un sistema es equivalente equivalente a una altura d e 24 in de de un fluido fluido co con n una densidad den sidad r elativa elativa de 0,80. Si la presión presión barom barométrica étrica es 29,5 inHg, inH g, Calcúlese Calcúlese la presión presi ón absoluta absoluta en el interior de d e la cámara, cámara, en Psia. Psia. 6.- Un depósito depósito de almacenamiento almacenamiento ve vertical rtical co contiene ntiene inicialmente agua a gua (p = 1.000 3 kg/m ) hasta un una a altura de 4 m. Se añade ace aceite ite inmiscible inmiscible de densidad relati relativa va 0,88 hasta que la altura total t otal del líquid líquido o es 10 m. Si la Presión barom barométrica étrica es es 97,2 2 kPa y g = 9,80 m/s m/s , determínese la presión absoluta en el fond o del agua, en kPa y bar. 7.- La pr esión esión manométrica de un gas dentro de de un depó epósit sito o es 3,0 3,0 lb lb/in /in2. Determínese la altura a ltura ve vertical, rtical, en pulgadas, pulgadas, del líqu líquido ido del manóm manómetro etro acoplado acoplado al sistema si el fluido, fluido, a temperatura temperatura ambiente ambiente,, es ( a) curio ( 850 Ibm,/Ft Ibm,/Ft3, (b ) a) mer curio p = 850 agua, ag ua, y (c) un aceite aceite de densidad r elativa elativa 0,90, con con g = 32, 32,0 0 Ft/s Ft/s2. 8.- Un manómetro conectado a un tanque indica 50 Psi en un lugar donde la 8.- presión barométrica es 29.1 Pulg Hg. Determine la presión absoluta en el tanque. Suponga que la Hg = 848.4 lbm/Ft 3. 9.-Un manómetro está conectado a un depósito de gas en que la presión es mayor que la del entorno. El líquido del manómetro es mercurio, con una densidad de 13.59 g/cm 3. La diferencia entre los niveles de mercurio en el manómetro es 2 cm.
La aceleración de la gravedad es 9.81 m/s 2. La presión atmosférica es 93.0 KPa. Calcular en KPa. a) La presión manométrica del gas b) La presión absoluta del gas 10.-Un tanque contiene aire a 40C y 1MPa. Si hay 1.5kg de aire en el tanque, ¿Cuál es el volumen de éste? 11.- En un tanque hay dos libras de aire. Si ocupan un volumen de 5 Ft 3 , ¿Cuál es la densidad del aire en el tanque? 12.- Un recipiente cerrado contiene 8ft 3 de aire a 17psia y 125F. Si se suministran 60Btu al aire, determine la presión final. Suponga que C v= 0.17Btu/lbm R. 13.- Determine el cambio en la energía interna cuando se expande aire, inicialmente a 200psia y 200F, en un cilindro a presión constante de un volumen inicial de 20ft 3 al triple de su volumen inicial. Suponga que C p = 0.24Btu/lbR y que Cv = 0.171Btu/lbR. 14.-Un tanque cilíndrico vertical, lleno con un fluido, tiene 1 m de diámetro y 1.5 m de altura. Pesa 6000N, y la aceleración de la gravedad es 9.82 m/s 2. Calcule: a)el volumen ocupado por el fluido, b) el peso especifico del fluido, c) la densidad del fluido, d) la gravedad especifica del fluido. R.- a) 1.178 m 3; b) 5093 N/m 3; c) 518.6 d) 0.5186 15.-Un manómetro de presión diferencial montado en un recipiente muestra una lectura de 1.25 MPa y un barómetro local indica una presión atmosférica de 0.96 bar. Calcule la presión absoluta dentro del recipiente. R: 1346 KPa 16.-Una fuerza de 1600 N se aplica de manera uniformes sobre émbolo de 8 cm de Diámetro. Determine la presión sobre el émbolo. R = 319 KN/m UNIDAD 3 17.- encuentre la calidad, el volumen especifico y la energía interna de un vapor a 7 bar y entalpía de 2600 KJ/kg. 18.- Complete la tabla de propiedades de agua, indique análisis. P, bar 4.5 10 30
T, °C
v, m /kg
h, kJ/kg 623.25
x, % 60
400 140
1.0784
19.- Complete la tabla de propiedades de agua, indique análisis. P, Psia 250 180
T, °F
250 400
v, Ft /lb m
u, BTU/lb m
x, %
1323.5 218.6 1.866
20.- Determínense los datos requeridos del agua para las siguientes condiciones especificadas: (a) la presión y el volumen del líquido saturado a 20°C, (b) la temperatura y entalpía del vapor saturado a 9 bar, (c) volumen especifico y energía interna a 10 bar y 280 °C, (d) la temperatura y el volumen especifico a 8 bar y una calidad del 80%, (e) el volumen especifico y la entalpía a 100°C y 100 bar, (f) la presión y la entalpía especifica a 150 °C y el 70% de calidad, (g) la temperatura y la energía interna especifica a 15 bar y una entalpía del 2.899,3 kJ/kg, (h) La calidad y el volumen especifico a 200°C y una entalpía del 1.822,8 kJ/kg, (i) la energía interna y el volumen especifico a 140°C y una entalpía de 2.733,9 kJ/kg, y (k) la temperatura y el volumen especifico a 200 bar y una entalpía de 434,06 kJ/kg. 21.- Se enfría a volumen constante vapor de agua a 2 MPa y 280°C hasta que la presión alcanza un valor de 0,50 MPa. Determínese la energía interna en el estado final y hágase un esquema del proceso en un diagrama Pv. 22.-Calcule la entalpía especifica en kJ/Kg, del agua a 100 °C y a 15 MPa de presión. 23.- Se enfría a volumen constante vapor de agua a 2 MPa y 280°C hasta que la presión alcanza un valor de 0,50 MPa. Determínese la energía interna en el estado final y hágase un esquema del proceso en un diagrama Pv. 24.- Se enfría a volumen constante vapor de agua a 300 Psia y 450 °F hasta que la presión alcanza el valor de 50 Psia. Determínese la energía interna en el estado final y hágase un esquema del proceso en un diagrama Pv. 25-.Una mezcla líquido-vapor de agua se mantiene en un recipiente rígido a 60°C. El sistema se calienta hasta que su estado final es el punto crítico. Determínese (a) la calidad inicial de la mezcla y (b) la relación inicial entre los volúmenes de vapor y de líquido. 26.- Un recipiente rígido contiene vapor de agua a 15 bar y a una temperatura desconocida. Cuando el vapor se enfría hasta 180 °C, Este comienza a condensar. Estímese (a) la temperatura inicial en °C, (b) la variación de la energía interna en kJ. (c) Hágase un diagrama Pv.
27.- En un recipiente rígido se enfría agua a 10 bar y 280°C hasta que se convierte en vapor saturado. Determínese (a) la presión y temperatura finales en bar y grados Celsius respectivamente y (b) la variación de la energía interna de kJ/kg. (c) Hágase un esquema del proceso en un diagrama Pv. 28.-Una masa de agua a 10 bar y 0,02645 m 3/kg experimenta un proceso a presión constante hasta un estado final de 0,206 m 3/kg (a) Determine la variación de la energía interna en kJ/kg y un diagrama Pv del proceso. 29.- Un recipiente rígido contiene vapor de agua a 15 bar y a una temperatura desconocida. Cuando el vapor se enfría hasta 180 °C, Este comienza a condensar. Estímese (a) la temperatura inicial en °C, (b) la variación de la energía interna en kJ. (c) Hágase un diagrama Pv. 30.- Un tanque rígido de 1 ft 3 contiene vapor de agua inicialmente saturado a 50 psia. Un enfriamiento del agua origina una caída de presión a 15 psia. Se puede determinar en el instante final de equilibrio (a) La temperatura en °F (b) la calidad final (c) el cociente entre la masa del líquido y la masa del vapor (d) Dibújese el proceso en n diagrama Pv. 31.- Se enfría a volumen constante una masa de vapor de agua inicialmente a 3 MPa y 400°C (estado 1) hasta una temperatura de 200°C (estado 2). Después se extrae calor a temperatura constante hasta que alcanza el estado líquido saturado (estado 3). Determine: (a) La presión final en bar (b) La calidad final del proceso a volumen constante. (c) Variación total de volumen especifico en m 3/kg. (d) Variación de energía interna específica en kJ/kg entre los estados 2 y 3 (e) Dibuje esquema de los procesos en diagrama Pv. 32.-. Un dispositivo cilindro-émbolo contiene agua inicialmente como mezcla líquido-vapor a 2 bar que ocupa un volumen de 0.233 m 3 El émbolo reposa sobre unos resaltes y no se mueve hasta que la presión alcanza el valor de 10 bar. Se le transfiere un flujo de calor constante al agua de 250 kJ/min. Determínese (a) la masa inicial de líquido. (b) el calor suministrado hasta que el émbolo comienza a moverse, y (c) el tiempo en minutos necesario para que el émbolo comience a moverse. 33.-cinco kg de vapor de agua saturados 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. Determine el volumen del depósito en m 3, y la calidad en el estado final. R: a) 0.2848; b) 49.4%
34.-Dos kg de agua, inicialmente como vapor saturado a 100 KPa, se enfria hasta líquido saturado en un proceso a presión constante. Determine las transferencias de calor y trabajo para el proceso, en kJ. Compruebe que, en este caso, la transferencia de calor es igual a la variación de entalpía del agua. R: 4516 KJ; 338.6 KJ 35.- El aire del interior de un neumático de automóvil, con un volumen de 0,042 m3, ha alcanzado 360 kPa a 40 °C. Tras enfriarlo hasta 20 °C desearía que la presión fuese de 300 kPa. Calcúlese el volumen que hay que quitar, en metros cúbicos, si se midiese a 20 °C y 100 KJ 36.- Un dispositivo cilindro —émbolo contiene un gas ideal, inicialmente a 50 psia y 3 ft3. El émbolo se desplaza 2 ft en un proceso de expansión isoterma. La presión atmosférica es de 14.7 psia, existe una fuerza de fricción de 100 lb f , que se opone al movimiento y el área del émbolo es igual a 36 in 2. Calcúlese el trabajo neto comunicado al eje de salida, en ft· lb m.
37.- Un depósito rígido y bien aislado térmicamente contiene 0.1 m 3 de aire. El trabajo de 9.45 Nm de una rueda de paletas permite alcanzar una presión final de 2.5 bar y una temperatura de 400°K. Determínese: a) la temperatura inicial en °K, y b) la presión inicial en bar. 38.-Una masa de 0.1 lb m de aire a 30 psia que ocupa 0.69 ft 3, se expande a presión constante hasta un volumen de 1.5 ft 3. A continuación experimenta un cambio de estado a volumen constante hasta una presión de 15 psia. Calcúlese el trabajo total realizado, el calor transferido y la variación total de energía interna, todo ello en Btu.
