TERMODINÁMICA
TEMA 3: CLASE S11
OBJETIVOS
BALANCE DE ENERGÍA PARA UN SISTEMA
Balance de energía de un sistema
Balance de energía de un sistema en Forma de tasa respecto al tiempo
Cuando las tasas de variación son constantes Balance de energía por unidad de masa de un sistema Balance de energía en forma diferencial Balance de energía por unidad de masa en forma diferencial
BALANCE DE ENERGÍA PARA UN SISTEMA CERRADO
BALANCE DE ENERGÍA PARA UN SISTEMA
Balance de energía de un sistema
Balance de energía de un sistema en Forma de tasa respecto al tiempo Cuando las tasas de variación son constantes Balance de energía por unidad de masa de un sistema Balance de energía en forma diferencial Balance de energía por unidad de masa en forma diferencial
BALANCE DE ENERGÍA PARA UN SISTEMA CERRADO
PRIMERA LEY PARA SISTEMAS CERRADOS
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Considere como sistema un dispositivo de cilindro-émbolo que contiene gas nitrógeno. Inicialmente, el sistema está a 1 MPa y 427 °C. Ahora sufre un proceso isobárico hasta que su temperatura es 27 °C. Determine la presión final y la transferencia de calor, en kJ/kg, relativa a este proceso. Respuesta: 416 kJ/kg.
Se va a calentar un recinto de 4 m x 5 m x 6 m con un calentador eléctrico colocado sobre un rodapié. Se desea que ese calentador pueda elevar la temperatura del recinto de 5 a 25 °C en 11 min. Suponiendo que no hay pérdidas de calor del recinto, y que la presión atmosférica sea 100 kPa, calcule la potencia requerida en el calentador. Suponga que los calores específicos son constantes a la temperatura ambiente. Respuesta: 3.28 kW
Un alumno vive en un dormitorio de 4 m X 6 m X 6 m, y enciende su ventilador de 150 W antes de salir de la habitación, por la mañana en un día de verano, esperando que al regresar el recinto esté más frío. Suponiendo que todas las puertas y ventanas estén herméticamente cerradas, y sin tomar en cuenta transferencias de calor por las paredes y ventanas, determine la temperatura en el recinto cuando regrese el estudiante, 10 h después. Use los valores de calor específico a temperatura ambiente, y suponga que las condiciones de la habitación eran 100 kPa y 15 °C, cuando salió. Respuesta: 58.2 °C
Un sistema cerrado contiene 2 kg de aire, y en un proceso pasa de 600 kPa y 200 °C hasta 80 kPa. Determine el volumen inicial de este sistema, el trabajo efectuado y el calor transferido durante el proceso. Respuestas: 0.453 m3, 547 kJ, 547 kJ
Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene gas de argón, y pasa por un proceso isotérmico, de 200 kPa y 100 °C, hasta 50 kPa. Durante el proceso, se transfieren 1.500 Kj de calor al sistema. Determine la masa de este sistema y la cantidad de trabajo producido.
Se comprime argón en un proceso politrópico, con n = 1.2, de 120 kPa y 10 °C hasta 800 kPa, en un dispositivo de cilindro-émbolo. Determine el trabajo producido y el calor transferido durante este proceso de compresión, en kJ/kg.
Un dispositivo de cilindro-émbolo con resorte contiene 1 kg de dióxido de carbono. Este sistema se calienta de 100 kPa y 25 °C a 1 000 kPa y 300 °C. Determine la transferencia total de calor al sistema y el trabajo producido por el sistema.
En un dispositivo de cilindro-émbolo con carga variable y con una rueda de paletas integrada al cilindro, hay aire. Al principio está a 500 kPa y 27 °C. Entonces se hace girar la rueda de paletas mediante un motor eléctrico externo, hasta que se ha transferido al aire la energía de 50 kJ/kg en forma de trabajo. Durante este proceso se transfiere calor para mantener constante la temperatura del aire, y al mismo tiempo se triplica el volumen del gas. Calcule la cantidad requerida de transferencia de calor, en kJ/kg. Respuesta: 44.6 kJ/kg
Una masa de 15 kg de aire, en un dispositivo de cilindro-émbolo, se calienta de 25 a 77 °C, haciendo pasar corriente por un calentador de resistencia en el interior del cilindro. La presión dentro del cilindro se mantiene constante en 300 kPa durante el proceso, y hay una pérdida de calor de 60 kJ. Determine los kWh de energía eléctrica suministrada. Respuesta: 0.235 kWh
Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 1.5 kg de nitrógeno, inicialmente a 100 kPa y 17 °C. Entonces se comprime lentamente el nitrógeno, en un proceso politrópico durante el cual . constante, hasta que el volumen se reduce a la mitad. Determine el trabajo efectuado y la transferencia de calor para este proceso.
Un recinto se calienta con un calentador de resistencia. Cuando las pérdidas de calor del recinto, en un día invernal, son 6 500 kJ/h, la temperatura del aire en el recinto permanece constante, aun cuando el calentador trabaje continuamente. Determine la potencia nominal del calentador, en kW.
Un dispositivo de cilindro provisto de un cilindro-pistón contiene aire. El émbolo descansa inicialmente en un conjunto de topes, y se necesita una presión de 300 kPa para mover el émbolo. Inicialmente, el aire está a 100 kPa y 27 °C, y ocupa un volumen de 0.4 m3. Determine la cantidad de calor que se transfiere al aire, en kJ, al aumentar la temperatura a 1 200 K. Suponga que el aire tiene calores específicos constantes evaluados a 300 K. Respuesta: 340 kJ
Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene aire a 600 kPa y 927 °C, y ocupa un volumen de 0.8 m3. El aire experimenta un proceso isotérmico (temperatura constante) hasta que la presión se reduce a 300 kPa. El émbolo está ahora fijado en su lugar, y no se le permite moverse mientras tiene lugar un proceso de transferencia de calor hasta que el aire alcanza 27 °C. a) Haga un esquema del sistema que muestre las energías que cruzan la frontera y el diagrama P-V para los procesos combinados. b) Para los procesos combinados, determine la cantidad neta de transferencia de calor, en kJ, y su dirección. Suponga que el aire tiene calores específicos constantes evaluados a 300 K.
Un dispositivo de cilindro provisto de un émbolo contiene argón. Inicialmente, el argón está a 100 kPa y 27 °C, y ocupa un volumen de 0.4 m3. El argón se comprime primero mientras la temperatura se mantiene constante hasta que el volumen es 0.2 m3. Luego se expande el argón mientras la presión se mantiene constante, hasta que el volumen es 0.6 m3. -V que muestre la a) Haga un esquema de ambos procesos en un solo diagrama P dirección de los procesos y etiquete los estados finales como 1, 2 y 3. b) Determine la cantidad total de transferencia neta de calor al argón, en kJ, durante los procesos combinados. Respuesta: b) 172 kJ
Un gas ideal contenido en un dispositivo cilindro-émbolo sufre un proceso de compresión isotérmica que comienza con una presión inicial y un volumen inicial de 100 kPa y 0.6 m3, respectivamente. Durante el proceso, hay una transferencia de calor de 60 kJ del gas ideal al entorno. Determine el volumen y la presión al final del proceso. Respuestas: 0.221 m3, 272 kPa.
