Guía termodinamica (certamen 1)

Vista previa del material en texto

UNIVERSIDAD DEL BIO-BIO
 
 
 
 
AVDA. COLLAO 1202 - FONO 731281 - FAX 731013- CASILLA 5-C - CONCEPCION - CHILE 
PROBLEMAS DE TERMODINÁMICA 
(440008) 
 
 
Problema N° 1: 
 Dos depósitos idénticos, ambos aislados y con volumen de 1 m3, están comunicados por 
una válvula. El depósito A contiene aire a 10 bar y 350 K, mientras que el depósito B 
contiene aire de 1 bar y 300 K. Se abre la válvula y se permite que se alcance el equilibrio. 
Calcúlese: 
a) La temperatura final en kelvin 
b) La presión final en bar. 
 
Respuesta: 345°K. 
 
 
Problema N° 2: 
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. 
 
Respuestas: 9.28 kmol. 37.15 kg. 
 
Problema N° 2: 
El aire en una llanta de automóvil con un volumen de 0.015 m3 se encuentra a 30°C y 150 
kPa (manométrica). Determine la cantidad de aire que debe agregarse para elevar la presión 
al valor recomendado de 200 kPa (manométrica). Suponga que la presión atmosférica 
corresponde a 98 kPa y que la temperatura y el volumen permanecen constantes. 
 
Respuesta: 0.0086 kg. 
 
Problema N° 4: 
Un tanque rígido contiene 10 kg de aire a 150 kPa y 20°C. Se añade más aire al tanque 
hasta que la presión y la temperatura aumentan a 250 kPa y 30°C, respectivamente. 
Determine la cantidad de aire añadido al tanque. 
 
Respuesta: 6.12 kg. 
 
Problema N° 5: 
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. 
 
Respuesta: 284.1 kPa. 
 
Problema N° 6: 
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. 
 
Respuesta: -136.1 kJ. 
 
 
UNIVERSIDAD DEL BIO-BIO
 
 
 
 
AVDA. COLLAO 1202 - FONO 731281 - FAX 731013- CASILLA 5-C - CONCEPCION - CHILE 
Problema N° 7: 
Un dispositivo de cilindro-émbolo sin fricción contiene 2 kg de nitrógeno a 100 kPa y 300 
K. El nitrógeno se comprime lentamente de acuerdo con la relación PV1.4 = constante hasta 
que alcanza una temperatura final de 360 K. Calcule el trabajo realizado durante este 
proceso. 
 
Respuesta: -89.0kJ 
 
Problema N°8: 
Si calienta agua en una cacerola tapada sobre una estufa, mientras la agita por medio de una 
hélice. Durante el proceso se añaden 40kJ de calor al agua, y 5 kJ de calor se liberan hacia 
el aire de los alrededores. El trabajo de la hélice asciende a 500 N . m. Determine la energía 
final del sistema si su energía inicial es 10kJ. 
 
Respuesta: 45.5 kJ. 
 
Problema N° 9: 
Una cámara de 2 m3 está dividida en dos por un pistón sin roce y adiabático. Inicialmente 
los volúmenes son iguales y uno contiene aire y el otro nitrógeno. Las condiciones iniciales 
de los gases son 2 ata y 27°C. Por la única pared no adiabática se agrega calor al aire hasta 
que la presión sube hasta 4 ata. Calcule: 
 
a) La temperatura final del nitrógeno y del aire 
b) El calor agregado 
c) Explique si hubo trabajo o no 
 
 
Respuesta: 93°C, 561°C y 1010 KJ 
 
Problema N° 10: 
Un compresor comprime aire entre 1 ata y 20°C hasta 1,5 ata. 
 
a) Si el compresor comprime con un proceso isentrópico, calcule la temperatura de 
descarga del aire, el ∆h del aire, la vdp y el trabajo eje. 
56°C, 8,64 Kcal/kg, 8,64 Kcal/kg, 8,64 Kcal/kg. 
b) Si el compresor es adiabático y la temperatura medida en la descarga del aire es 
68°C, calcule el exponente de la politrópica, el ∆h del aire, la vdp y el trabajo eje. 
1,6, 11,52 Kcal/kg, 8,78 Kcal/kg y 11,52 Kcal/kg. 
b) Si el compresor comprime con un proceso isotermo, calcule el ∆h del aire, la vdp y 
el trabajo eje. 
0, 8,15 Kcal/kg, 8,15 Kcal/kg. 
 
 
Problema N° 11: 
Un sistema cerrado recibe calor a una presión constante de 350 Kpa. La energía interna del 
sistema aumenta en 180 KJ cuando la temperatura aumenta en 170°C y el trabajo entregado 
por este es 75 KJ. Si en el sistema hay 1,5 kg de gas calcule el calor específico a presión 
constante del gas y el aumento de volumen específico. 
 
Respuesta: 
EKg
KJ
°
1 , 0,14 m3/Kg. 
 
No 
Adiabática aire
Nitró-
geno 
 
UNIVERSIDAD DEL BIO-BIO
 
 
 
 
AVDA. COLLAO 1202 - FONO 731281 - FAX 731013- CASILLA 5-C - CONCEPCION - CHILE 
Problema N° 12: 
Se lleva a cabo un proceso sin flujo a presión constante de 200 Kpa si se extraen 50 KJ de 
calor cuando el volumen cambia de 0,2 m3 a 0,1m3, ¿cuál es el cambio de energía interna 
del fluido de trabajo? En el sistema hay 0,5 kg del fluido. 
 
Respuesta: 60 KJ/Kg. 
 
Problema N° 13: 
Se suministra calor a un gas que está contenido en un recipiente rígido. Si a 0,2 kg del gas 
se le añaden 100 KJ, determine el cambio en la temperatura del gas y el cambio en su 
energía interna Cv = 0,1714 Kcal/Kg°C y Cp = 0,24 Kcal/kg°C. 
 
Respuesta: 695,8 °C y 500 KJ/kg. 
 
Problema N° 14: 
Se comprime aire de manera adiabática en un proceso sin flujo desde una presión y 
temperatura de 14,7 psia y 70°F hasta 200 psia y 350°F. Si el Cv del aire es 0,1714 
Btu/lb°F, determine el cambio en la energía interna del aire y el trabajo realzado. 
 
Respuesta: 47,88 Btu/lb (aumenta) y 47,77 Btu/lb (recibe). 
 
Problema N° 15: 
Un sistema sin flujo hace un proceso en que se liberan 42 KJ de calor. Si la presión se 
mantiene constante en 125 Kpa mientras que el volumen varía de 0,20 m3 a 0,06 m3, 
determine el trabajo realizado y el cambio en la energía interna. 
 
Respuesta: 17,5 KJ (recibe) y 24,5 KJ (disminuye) 
 
Problema N° 16: 
Un globo de 1 m3 se llena con aire a 20°C y una ata. Después de exponerlo a la radiación 
solar el volumen del globo aumenta a 1,15 m3, en tanto que la presión permanece constante; 
se supone que el globo no opone resistencia alguna al aire. Calcule el calor recibido por el 
aire. 
 
Respuesta: 52,8 KJ. 
 
Problema N° 17: 
Una turbina se opera con una entalpía de entrada de 1340 Btu/lb y una entalpía de salida de 
1285 Btu/lb. Si la velocidad de entrada a la turbina es 150 pie/seg y la de salida es 500 
pie/seg: 
 
a) Determine el trabajo eje de la turbina 
b) Si por la carcaza de la turbina el fluido pierde 5,5 Btu/lb determine el trabajo eje 
de la turbina 
 
Respuesta: 50,46 Btu/lb y 44,96 Btu/ln.