Guía 2

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Guía de ejercicios Nº 2: Sistemas cerrados monofásicos 
 
Ejercicio 1: Se realizó un experimento para determinar la entalpía de evaporación del agua. 
Se midió la presión de saturación correspondiente a diferentes temperaturas. Para esas 
condiciones se conocen los volúmenes específicos del líquido y del vapor saturado. Estos 
valores se dan en la tabla siguiente: 
 
tsat 
[ºC] 
Psat 
[kPa] 
vl 
[m3/kg] 
vl 
[m3/kg]
100 101,32 0,00104 1,674 
105 120,79 0,00105 1,420 
110 143,24 0,00105 1,211 
115 169,02 0,00106 1,037 
120 198,48 0,00106 0,892 
125 232,01 0,00106 0,771 
130 270,02 0,00107 0,669 
135 312,93 0,00107 0,582 
140 361,19 0,00108 0,509 
145 415,29 0,00108 0,446 
150 475,72 0,00109 0,393 
155 542,99 0,00110 0,347 
160 617,66 0,00110 0,307 
165 700,29 0,00111 0,273 
170 791,47 0,00111 0,243 
175 891,80 0,00112 0,217 
180 1001,93 0,00113 0,194 
185 1122,49 0,00113 0,174 
190 1254,17 0,00114 0,157 
195 1397,65 0,00115 0,141 
 
De acuerdo a estos valores. ¿Cuál es la entalpía de evaporación a 150ºC? 
 
Ejercicio 2: Considere un gas ideal cuya ecuación de estado está dada por la relación 
TRvP ⋅=⋅ . Derive la relación para la variación de la energía interna y para la variación de 
la entalpía. 
 
Ejercicio 3: Evalúe la diferencia cP – cv para un gas ideal. 
 
Ejercicio 4: Determine el coeficiente de Joule-Thomson para un gas ideal. 
 
Ejercicio 5: Determine la diferencia entre los calores específicos, la variación de la entalpía 
y de la energía interna para un fluido incompresible (v = cte). 
 
 
 
Departamento de
Ingeniería Mecánica
Departamento de Ingeniería Mecánica 
Facultad de Ingeniería 
Profesor: Cristian Cuevas 
Termodinámica (541203‐1) 
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Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Concepción 
Ejercicio 6: Un estanque rígido contiene 
inicialmente 0,7 kg de Helio a 27ºC y 345 kPa. 
Un agitador de una potencia de 15 W mezcla 
el contenido del estanque durante 30 minutos. 
Determine la temperatura final. El calor 
específico a volumen constante del Helio es de 
3,12 kJ/kgK. 
 
Ejercicio 7: Un dispositivo compuesto de un pistón y un cilindro contiene 0,5 m3 de 
nitrógeno en forma de gas a una presión de 400 kPa y a una temperatura de 27ºC. Al 
interior se instala una resistencia eléctrica por la cual pasa una corriente de 2 A durante un 
período de 5 minutos. La resistencia es alimentada con una tensión de 120 V. El nitrógeno 
se expande a presión constante. El dispositivo, durante este proceso, transfiere 2800 J al 
medio exterior. Determine la temperatura final del nitrógeno. Considere un valor del calor 
específico a presión constante de 1,039 kJ/kgK. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ejercicio 8: Una esfera de cobre de 1 cm de diámetro es calentada hasta una temperatura 
de 500ºC y luego se coloca en un ducto de aire por donde circula aire a 20ºC. Se sabe que la 
esfera transfiere calor al aire a una razón de: 
 
 ( )aambesf TTkQ −⋅=,& [W] 
 
Donde Ta es la temperatura del aire y T la temperatura de la esfera en un tiempo cualquiera 
τ. Determine la temperatura de la esfera luego de 2 minutos. 
 
 k = 0,019 [W/K] ρ = 8930 [kg/m3] 
 c = 385 [J/kgK] 
 
 
 
 
M = 0,7 kg 
ti = 27ºC 
Pi = 345 kPa 
ejeW& 
f
i
P 
V Vi = Vf 
Pf 
Pi 
Vi = 0,5 m3
ti = 27ºC 
Pi = 400 kPa 
2 A 
120 V
2800 J
f i
P 
V 0,5 
400 kPa 
Pi
Termodinámica (541203‐1) 
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Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Concepción 
Ejercicio 9: Considere el sistema cilindro-pistón que se encuentra en las condiciones 
iniciales que se indican en la Figura y que contiene un gas perfecto al interior. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Inicial Intermedio Final 
 
Plantee y despeje, en forma analítica, las ecuaciones que permitirán calcular la temperatura 
final y la presión final en función de las condiciones iniciales y de las propiedades del 
fluido como R, cv y/o cp, para los dos casos siguientes: 
 
a) cuando el pistón no se desplaza, 
b) cuando el pistón se desplaza libremente de tal manera que la presión permanece 
constante al interior del cilindro. 
 
Ejercicio 10: Considere el sistema cilindro-pistón que se 
muestra en la Figura. Este sistema está completamente aislado 
térmicamente: cilindro y pistón. El fluido que se encuentra al 
interior es un gas perfecto. Este es comprimido mediante una 
transformación de tipo reversible. De acuerdo a la segunda ley, 
qué tipo de transformación típica sería: isotérmica, isobárica, 
isoentrópica, isocora o isoentálpica? Demuestre con 
ecuaciones. 
 
De acuerdo a lo visto en clases, cómo sería la relación entre la presión y la temperatura para 
esta transformación? 
 
Ejercicio 11: Considere el sistema cilindro-pistón que se muestra en la Figura definido por 
los siguientes estados: 
 
1 Inicial: V1 = 0,5 m3, P1 = 150 kPa, t1 = 100 ºC 
2 Intermedio: V2 = 2⋅V1 
3 Final: t3 = 150ºC 
 
El estado intermedio 2 está definido cuando el pistón llega al tope, 
donde el volumen V2 = 2⋅V1. La transformación entre 1 y 2 es de tipo 
politrópica: P1⋅V1n = P2⋅V2n, donde n es igual a 1,2. El fluido que está 
encerrado en el cilindro es aire, el cual se puede considerar como gas 
perfecto, con un calor específico a volumen constante de cv = 718 
J/kg⋅K y un calor específico a presión constante de cp = 1005 J/kg⋅K. 
 
Vi = 1 m3 
ti = 20ºC 
Pi = 100 kPa 
tf = ? 
Pf = ? 
tin = ? 
Pin = ? 
Q 
V1 = 0,5 m3
t1 = 100ºC 
P1 = 150 kPa 
Termodinámica (541203‐1) 
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Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Concepción 
Determine: 
 
a) El calor transferido en la transformación de 1 a 2 (indique unidades), 
b) El calor transferido en la transformación de 2 a 3 (indique unidades), 
c) La temperatura en 2 en ºC y la presión en 2 y 3 en kPa. 
 
 
Problema 12: Considere el sistema 
cilindro-pistón mostrado en la Figura. 
Este dispositivo contiene CO2 en estado 
gaseoso a 110 kPa y 527ºC. Este sistema 
es enfriado (se extrae calor) hasta llevarlo 
a una temperatura intermedia de 127ºC, 
en este instante el pistón llega al tope que 
se muestra en la Figura y el volumen en 
este punto es igual a la mitad del volumen 
inicial. Durante este enfriamiento la 
presión permanece constante. Una vez 
alcanzado el tope, se sigue enfriando el 
sistema, hasta que la presión alcanza un 
valor igual a la mitad de la presión inicial. 
 
Determine el calor que se extrae del 
sistema. Asuma que el CO2 se comporta 
como gas perfecto. Este tiene una masa 
molar de 44 kg/kmol y un calor específico 
a presión constante de 661 J/kg·K. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
La constante molar universal es igual a 
8314 J/kmol·K.
 
 
 
 
 
 
Vi = 1 m3 
ti = 527ºC 
Pi = 110 kPa 
Q