UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA F.E.C
Trabajo de termodinámica Conceptos básicos Docente: Omar Jose Cuadra Estudiante: Darruel Noel Castellon Acevedo Grupo: 3M1-EL Carnet: 2015-0143U Fecha: 25/10/2018
1-1C. ¿Por qué un ciclista acelera al ir pendiente abajo, aun cuando no esté pedaleando? ¿Viola eso el principio de la conservación de la energía? R= Sobre un camino de descenso la energía potencial del ciclista está siendo convertida a la energía cinética, y así el ciclista recoge la velocidad. No hay ninguna creación de energía, y así ninguna violación de la conservación de principio de energía. 1-2C Una de las cosas más divertidas que puede ex perimentar una persona es que en ciertas partes del mundo, un automóvil inmóvil, al ponerlo en punto muerto, sube por una pendiente cuando quita el freno. Esos sucesos hasta se difunden por TV. ¿Puede realmente suceder eso, o es alguna ilusión óptica? ¿Cómo se puede verificar si la carretera realmente es De subida o de bajada? R=un coche que va cuesta arriba sin la carrera de motor aumentaría la energía del coche, y así esto sería una violación de la primera ley de termodinámica. Por lo tanto, esto no puede pasar. Usando un metro de nivel (un dispositivo con una burbuja de aire entre dos señales de un tubo horizontal de agua) esto puede mostrado que el camino que mira cuesta arriba al ojo es en realidad el descenso. 1-3C. Un oficinista dice que una taza de café frío en su escritorio se calentó hasta 80 °C, al tomar energía del aire que lo rodea, que está a 25 °C. ¿Hay algo de verdad en su aceleración? ¿Viola ese proceso alguna de las leyes de la termodinámica? R= no hay ninguna verdad a su reclamación. Esto viola la segunda ley de termodinámica.
1-4C En un artículo periodístico se afirma que una máquina de turboventilador con engranes produce 15 000 libras de empuje para impulsar hacia adelante la aeronave. ¿La “libra” que se menciona aquí es lbm o lbf? Explique.
R= "la libra" mencionada aquí debe ser "lbf" desde empujado es una fuerza, y el lbf es la unidad de fuerza en el sistema inglés. Usted no debería entrar en el hábito de nunca escribir la unidad "la libra", pero siempre usar "lbm" o "lbf" como apropiado ya que las dos unidades tienen dimensiones diferentes.
1-5C. ¿Explique por qué la dimensión del año-luz es longitud?
R= La luz de palabra se refiere a la velocidad de luz. La unidad de año luz es entonces el producto de una velocidad y el tiempo. De ahí, este producto forma una dimensión de distancia y la unidad. 1.6C ¿Cuál es la fuerza neta que actúa sobre un automóvil que va a la velocidad constante de 70 km/h a) en un camino horizontal b) en un camino de subida?
La segunda ley de newton dice que la fuerza va a ser igual la masa por la aceleración, pero como la velocidad es constante no hay aceleraciones entonces la fuerza neta seria 0 en ambos casos 1.7E Un hombre pesa 210 lbf en un lugar donde g=32.10 pies/s 2. Determine su peso en la luna g=5.47pies/s 2
3. . / W=mg → m=w/g = 3./ = 210.5lbm =35.8lbf W = mg = (210.5 lbm) (5.47 pie / ) 3. ./
°
1-9 A 45 de latitud. La aceleración gravitacional en función de la altura z sobre el nivel del mar es g = a – bz, donde a = 9.807 m/ y b = 3.32 x . Determine la altura sobre el nivel del mar donde el peso de un objeto disminuya en 0.5 porciento.
− −
La altura a la que el peso del cuerpo en la elevación z se puede expresar como: W = mg = m (9.807-3.32 x
10−
z)
En nuestro caso:
W = 0.995
= 0.995
= 0.995(m) (9.81)
Sustituyendo:
10− 1-10 ¿ Cuál es el peso, en N, de un objeto con una mas a de 200 kg , en una ubicación en la que g = 9.6 m/ ? 0.995(9.81) = (9.81-3.32 x
) → Z= 14.774m
La masa de un objeto está dada. Su peso debe ser determinado. Análisis.
Aplicando la segunda ley de newton, el peso es determinado por: W = mg = (200 kg)(9.6 m/
) = 1920 N
1-11E . E l calor específico a presión cons tante del aire a 25° C es 1.005 kj/kg . °C . exprese este valor en kj/kg . K , j/g . °C kcal/kg .°C y B tu/ lbm. °F .
=(1.005 kj/kg . °C)
=(1.005 kj/kg . °C)
=(1.005 kj/kg . °C)
=(1.005 kj/kg . °C)
. . °
.
= 1.005 kj/kg . K
= 1.005 j/g . °C
. .° .. °C
= 0.240 kcal/kg . °C
= 0.240 Btu/lb, . °F
1-15 Una resistencia de calentamiento de 4 kW en un calentador de agua trabaja durante dos horas para elevar la temperatura del agua al nivel deseado. Determine la cantidad de energ ía eléctrica que se usa, tanto en kWh como en kJ. Una resistencia caliente se utiliza para calentar a agua a la temperatura deseada. La cantidad de energía eléctrica utilizada en kWh y kj debe determinarse. Análisis la resistencia del calentador consume energía eléctrica a una velocidad de 4 kw o 4 kj / s. Entonces la cantidad total de energía eléctrica utilizada en 2 horas se convierte en
= (energía por unidad de tiempo) (intervalo de tiempo) Energía total = (4 kW) (2 h) Energía total = 8 kWh Teniendo en cuenta que 1 kWh = (1 kj/s)(3600 kj/kWh) = 28800 kj 1-22C ¿ Cuál es
la diferencia entre propiedades intens ivas y extensivas ?
R= las propiedades intensivas no dependen del tamaño (extensión) del sistema, pero sí las propiedades extensivas.
1-23C ¿ E l peso de un sis tema es una propiedad extensiva o intensiva? R= Si queremos dividir el sistema en porciones más pequeñas, el peso de cada porción también será menor. Por lo tanto, el peso de un sistema es una propiedad extensa
1-24C El volumen específico molar de un sistema V – se define como la relación del volumen del sistema con respecto al número de moles de una s us tancia contenidos en el s is tema. ¿ É s ta es una propiedad extensiva o intensiva? R= Si dividiéramos este sistema a la mitad, tanto el volumen como la cantidad de moles que contiene cada mitad serían la mitad del sistema original. El volumen específico molar del sistema original es
ṽ =
Y el volumen molar específico de uno de los sistemas más pequeños es
/2 = ṽ = /2
Cuál es el mismo que el del sistema original. El volumen específico molar es entonces una propiedad intensiva
1-25C Para que un sistema esté en equilibrio termodinámico ¿deben ser ig uales la presión y la temperatura en todos s us puntos? R= Para que un sistema esté en equilibrio termodinámico, la temperatura tiene que ser la misma en todo momento, pero la presión no. sin embargo, no debe haber una fuerza de presión desequilibrada presente. El aumento de la presión con la profundidad en un fluido, por ejemplo, debe equilibrarse aumentando el peso.
1-26C ¿Qué es un proceso de cuasiequilibrio? ¿Cuál es su importancia en ingeniería? R = un proceso durante el cual un sistema permanece casi en equilibrio en todo momento se denomina proceso de quasi-equilibrio. Muchos procesos de ingeniería se pueden aproximar como quasi-equilibrio. La salida de trabajo de un dispositivo es máxima y la entrada de trabajo a un dispositivo es mínima cuando se utilizan procesos de quasiequilibrio en lugar de procesos de no equilibrio.
1- 27C
Defina los proces os is otérmico, is obárico e is ocóric o.
R = un proceso durante el cual la temperatura permanece constante se llama isotérmico Un proceso durante el cual la presión permanece constante se llama isobárico. Un proceso durante el cual el volumen permanece constante se llama isocórico.
1-28C ¿ Cuál es el postulado de es tado? R = el estado de un sistema simple compresible, está completamente especificado por dos propiedades intensivas e independientes
1-29C ¿ Cómo describiría usted el estado del agua en una bañera? ¿ Cómo des cri biría usted el proceso que sufre esta ag ua al enfriarse? R = La presión y la temperatura del agua normalmente se usan para describir el estado. La composición química, el coeficiente de tensión superficial y otras propiedades pueden requerirse en algunos casos. A medida que el agua se enfría, su presión permanece fija. Este enfriamiento es entonces un proceso isobárico.
1-30C A l analizar la aceleración de g ases al fluir por una boquilla, ¿ qué eleg iría como s is tema? ¿ Qué tipo de s is tema es és te? R = Al analizar la aceleración de los gases a medida que fluyen a través de una boquilla, la opción adecuada para el sistema es el volumen dentro de la boquilla, limitado por toda la superficie interior de la boquilla y la sección transversal de entrada y salida. Este es un volumen de control, ya que la masa cruza el límite.
1-33C ¿ Cuál es la ley cero de la termodinámica? R = La ley cero de la termodinámica establece que dos cuerpos están en equilibrio térmico si ambos tienen la misma lectura de temperatura, incluso si no están en contacto.
1-35C Un termómetro de alcohol y uno de mercuri o indican exactamente 0 °C en el punto de cong elación, y 100 °C en el punto de evaporación. La dis tancia entre los dos puntos s e divide en 100 partes ig uales, en ambos termómetros. ¿ Cree us ted que esos termómetros indicarán exactamente lo mis mo a una temperatura de, por ejemplo, 60 °C? E xplique por qué. R = Probablemente, pero no necesariamente. El funcionamiento de estos dos termómetros se basa en la expansión térmica de un fluido. Si los coeficientes de expansión térmica de ambos fluidos varían linealmente con la temperatura, entonces ambos fluidos se expandirán al mismo ritmo que la temperatura, y los dos termómetros siempre darán lecturas idénticas. De lo contrario, las dos lecturas pueden desviarse.
1-36 La temperatura en el interior del org anis mo de una pers ona saludable es 37 °C . ¿ Cuánto es en kelvin? Se da una temperatura en ° C. Debe expresarse en K. Análisis La escala de Kelvin está relacionada con la escala Celsius por T (K) = T (°C) + 273
Asi T (K) = 37°C + 273 = 310 K
1-37E ¿ Cuál es la temperatura del aire calentado a 150 °C en °F y en R ? ° C se debe convertir a unidad en ° F y R. Análisis
Utilizando las relaciones de conversión entre las diferentes escalas de temperatura, T(°F) = 1.8T(°C)+ 32 = (1.8)(150)+ 32 = 302°F T(R) = T (°F)+ 460 = 302 + 460 = 762 R
1-40E La temperatura del aire ambiente en cierta ubicación s e mide como –40 °C . E xpres e es ta temperatura en unidades Fahrenheit (°F ), K elvin (K ) y R ankine (R). T = -40 °C = (-40)(1.8) + 32 = -40°C T = -40 + 273.15 = 233.15 K T = -40 + 459.67 = 419.67 R
1-41E La temperatura del ag ua cambia en 10 °F durante un proces o. E xprese este cambio de temperatura en unidades Cels ius (°C ), K elvin (K ) y R ankine (R). ° F se debe convertir a unidades de ° C, K y R. ∆T = 10 / 1.8 = 5.6 °C ∆T = 10 / 1.8 = 5.6 K ∆T = 10 °F = 10 R
1-42E Los humanos se sienten más cómodos cuando la temperatura está entre 65 °F y 75 °F. Exprese esos límites de temperatura en °C. Convierta el tamaño del intervalo entre esas temperaturas (10 °F) a K, °C y R . ¿ Hay alguna diferencia s i lo mide en unidades relativas o abs olutas ? Un rango de temperatura dado en ° F unidad se convertirá en unidad de ° C y la diferencia de temperatura en ° F se expresará en K, ° C y R. Análisis Los límites inferior y superior del rango de confort en ° C son
T °−3 = −3 = 18.3°C . . T °−3 = −3 = 23.9°C T (°C) = . . T (°C) =
Un cambio de temperatura de 10 ° F en varias unidades es ∆T (R) = ∆T ( °F) = 10 R ∆T (°C) =
∆T ° = = 5.6 °C .
∆T (K) = ∆T ( °C) = 5.6 K
1-50E L a pres ión en una línea de agua es de 1 500 kPa. ¿ Cuál es la pres ión de la línea en las unidades a) lbf/pie2 y b) lbf/pulg2 (ps i)? Se da la presión en un tanque en la unidad SI. La presión del tanque en varias unidades de inglés debe ser determinada. Análisis Usando factores de conversión apropiados, obtenemos
= 1500 kpa . lbf/ pies P =1500 kpa . lbf/ /
(a) P (b)
= 31,330 lbf/
= 217.6 psi
1-51E S i la presión dentro de un globo de hule es 1 500 mm Hg , ¿ cuál es esta pres ión en libras-fuerza por pulg ada cuadrada (ps ia)? R espues ta: 29.0 ps i La presión dada en mm Hg unidad se convertirá a psi. Analisis Usando los factores de conversión mm Hg a kPa y kPa a psia, P
= 1500 mm Hg .333 .
= 29.0 psi
1-52 La presión de helio en el interior de un g lobo de jug uete es 1 250 mm Hg . ¿ Cuál es esa pres ión en kPa? La presión dada en mm Hg unidad se convertirá a kPa. Análisis Usando el factor de conversión de unidades de mm Hg a kPa, P
= 1250 mm Hg .333 .
= 166.6 kpa
1-55 La presión manométrica en un líquido, a 3 m de profundidad, es 42 kPa. Determine la presión manométrica en el mis mo líquido a la profundidad de 9 m. Análisis La presión del medidor a dos profundidades diferentes de un líquido se puede expresar como
ℎ ℎ = ρg
y
= =
= ρg
Resolviendo P2 y sustituyendo kPa 126
= 3 =
(42 kpa) = 126 kpa
1-58E Los diámetros del émbolo que muestra la fig ura P1-58E son D1 _ 3 pulg y D2 _ 1.5 pulg . Determine la presión, en ps ia, en la cámara, cuando las demás pres iones s on P1 _ 150 ps ia y P2 _ 250 psia. Se debe determinar la presión en la cámara 3 del cilindro de dos pistones que se muestra en la figura.
Análisis El área sobre la que actúa la presión 1 es
= π = π 3
= 7.069
Y el área sobre la que actúa la presión 2 es
π π = π . =
= 1.767
El área sobre la que actúa la presión 3 está dada por
3 =
=7.069 - 1.767 = 5.303
La fuerza producida por la presión 1 en el pistón es entonces
F = = 150 / 7.069
= 1060 lbf
Mientras que la producida por la presión 2 es
F = = 250 1.767
= 441.8 lbf
De acuerdo con el balance de fuerza vertical en el diagrama de cuerpo libre de pistón
3 =
= 1060 – 441.8= 618.3 lbf
Presura 3 es ten
p3
=
= .3 = 117 psia .3
1-59 Los diámetros del émbolo en la fig ura P1-58E s on D1 = 10 cm y D2 = 4 cm. C uando la pres ión en la cámara 2 es 2 000 kPa y la pres ión en la cámara 3 es 700 kPa, ¿cuál es la pres ión en la cámara 1, en kP a? R espuesta: 908 kPa. Se debe determinar la presión en la cámara 1 del cilindro de dos pistones que se muestra en la figura. Análisis Sumar las fuerzas que actúan sobre el pistón en la dirección vertical da
FPA+F +3P= AF A = P A 3 El cual cuando se resuelve para P1 da
P P + P3 1 =
Dado que las áreas de las caras del pistón están dadas por A = anterior se convierte
P P P3 (1 ) +700 (1 ) =
+
= (2000 kpa)
= 908 kpa
π/4
la ecuación
1-61 Un vacuómetro conectado a un recipiente indica 30 kPa en un lugar donde la pres ión barométrica es 750 mm Hg . Determine la pres ión absoluta en el recipiente. Suponga que rHg = 13 590 kg /m3. R espuesta: 70.0 kPa Se da la lectura de la presión de vacío de un tanque. La presión absoluta en el tanque debe ser determinada. Propiedades 3
La densidad del mercurio se da para ser. ρ= 13,590 kg/m Análisis La presión atmosférica (o barométrica) se puede expresar como
=
hgP ρ
= (13,590 kg/
3
)(9.807 m/
)(0.750 m)
. / /
= 100.0 kpa
Entonces la presión absoluta en el tanque se convierte en
=
-
= 100.0 – 30 = 70.0 kpa
1-63 El barómetro de un escalador indica 740 mbar cuando comienza a subir la montaña, y 630 mbar cuando termina. Sin tener en cuenta el efecto de la altitud sobre la aceleración g ravitacional local, determine la dis tancia vertical que escaló. Suponga que la densidad promedio del aire es 1.20 kg/m3. R espuesta: 934 m 3
Ρ = 1.20 kg/m . / A = -
ρℎ = 1.20 kg/m39.81 m/sh .N/,brN/ -
= (0.740 – 0.630) bar
h = 934 m Que es también la distancia que sube.