Hoja de Practica Semana 2 - Sesion 1 y 2

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HOJA DE PRACTICA SEMANA 2 
 
TEMA: PRIMERA LEY PARA SISTEMAS CERRADOS, VOLUMENES DE CONTROL Y CAMBIOS DE ENTROPIA 
ING. RAMIREZ MITTANI A. 
PRIMERA LEY PARA SISTEMAS CERRADOS 
P1. Un compresor alternativo contiene inicialmente aire en el aparato de cilindro y embolo a 0.10 m3, 0.95 bares y 67ºC. El proceso 
de compresión es cuasiestático y puede representarse mediante la ecuación PV1.3=constante. El volumen final es 0.02 m3. Calcular: 
a. La masa de aire, en kg; 
b. La temperatura final, en K; 
c. El cambio de la energía interna, en kJ; 
d. El trabajo necesario, en kJ; 
e. La magnitud y dirección de la posible transferencia de calor, en kJ 
P2. Un gas ideal con una masa molecular de 50, esta contenido en un aparato de cilindro y embolo, inicialmente a 20 ºC y 0.24 
m3/kg. El sistema experimenta un proceso isotérmico hasta el estado 2, en donde el volumen especifico es 0.12 m3/kg. Después 
se expande a presión constante hasta el estado 3, en el cual el volumen especifico es 0.36 m3/kg. Finalmente, el sistema regresa 
a su estado inicial, siguiendo una trayectoria que es recta en coordenadas Pv. 
a. Grafique el proceso cíclico en un diagrama Pv; 
b. Calcule los valores de P2 y P3, en bares; 
c. Calcule el trabajo neto del ciclo, en N m/g 
P2. Un recipiente rígido con un volumen de 0.05 m3 esta inicialmente lleno con vapor de agua saturado y seco a 1 bar. El contenido 
se enfría hasta 75 ºC. 
a. Representar el proceso en un diagrama Pv; 
b. Determinar la presión final, en bares; 
c. Hallar el calor que emite el agua, en kJ. 
P3. Un cilindro con pistón contiene dos kg de agua a 320 ºC. La sustancia pasa por un proceso a temperatura constante pero 
con un cambio de volumen de 0.02 a 0.17 m3. El trabajo que se produce es 889 kJ. Determine: 
a. La presión final, en bares; 
b. La transferencia de calor, en kJ; 
c. Representar el proceso en un diagrama Pv. 
P4. Un sistema que tiene un volumen inicial de 2.0 m3 se llena con agua a 30 bares y 400 ºC (estado 1). El sistema se enfría a 
volumen constante hasta 200 ºC (estado 2). El segundo proceso va seguido por un proceso a temperatura constante que finaliza 
con agua liquida saturada (estado 3). Hallar la transferencia total de calor, en kJ, y su dirección. Representar ambos procesos en 
un diagrama Pv. 
PRIMERA LEY PARA VOLUMENES DE CONTROL 
P1. Una turbina adiabática de vapor de agua opera en condiciones de entrada de 120 bares, 480 ºC y 100 m/s, y el flujo pasa a 
través de un área de 100 cm2. En la salida, la calidad es 90 % a 1 bar y la velocidad es 50 m/s. Determine: 
a. El cambio de energía cinética, en kJ/kg; 
b. El trabajo de flecha, en kJ/kg; 
c. La potencia, en kW; 
d. El área de salida, en m2. 
 
P2. Una corriente de 20000 kg/h de vapor de agua fluye en forma estable a través de una turbina, entrando a 40 bares, 440 ºC, 
y saliendo a 0.20 bares con una calidad de 90 %. Ocurre una perdida de calor de 20 kJ/kg. El tubo de entrada tiene un diámetro 
de 12 cm, y la sección de salida es rectangular, con dimensiones de 0.6 y 0.7 m. Calcule: 
a. El cambio de la energía cinética, en kJ/kg; 
b. La salida de potencia, kW. 
 
P3. Una turbina de aire con una potencia de 240 kW tiene unas condiciones de entrada de 840 K, 1.0 MPa y 18 m/s. El estado de 
salida es 420 K y 0.1 MPa. Tanto el ducto de entrada como el de salida tienen diámetros de 0.10 m. Determine: 
a. El cambio de entalpía, en kJ/kg; 
b. El cambio de energía cinética, en kJ/kg; 
c. El gasto másico, en kg/min; 
d. Rapidez de transferencia de calor, en kJ/min. 
 
P4. Se va a comprimir dióxido de carbono desde 0.1 MPa y 310 K hasta 0.5 MPa y 430 K. El gasto volumétrico en las condiciones 
de entrada es 30 m3/min. El cambio de energía cinética es despreciable, pero ocurre una perdida de calor de 4.0 kJ/kg. Determine 
la potencia necesaria, en kW. 
 
P5. Un compresor enfriado por agua cambia el estado del refrigerante 12 desde vapor saturado a 1.0 bar hasta una presión de 8 
bares. El gasto másico del fluido es 0.9 kg/min, y el agua de enfriamiento extrae calor con una rapidez de 140 kJ/min. Si la entrada 
de potencia es 3.0 kW, calcule la temperatura de salida, en ºC. 
ENTROPIA Y CAMBIOS DE ENTROPIA 
P1. Se afirma que si se da un trabajo de 28 kJ/kg al aire dentro de un pistón con cilindro se cambiara el estado desde 100 kPa y 
300 K hasta 250 kPa y 330 K. El entorno local se halla a 300 K. Utilizando datos representativos de capacidad térmica específica, 
determinar: 
a. El cambio de entropía del aire, en kJ/(kg*K); 
b. La transferencia de calor, en kJ/kg; 
c. El cambio de entropía del entorno; 
d. ¿Es valida la afirmación citada al principio, con base en la segunda ley? 
 
P2. Nitrógeno, contenido en un sistema cerrado inicialmente a 6 bares y 117 ºC, sufre un proceso reversible a temperatura 
constante, durante el cual recibe 1500 kJ/kmol de calor de un depósito a 423 ºC. Hallar: 
a. El trabajo durante el proceso y su dirección, en kJ/kmol; 
b. El cambio de entropía del nitrógeno, en kJ/(kmol*K); 
c. El cambio total de entropía del proceso; 
d. La presión final, en bares; 
e. Representar el proceso en un diagrama T-s. 
 
P3. Un sistema cerrado a presión constante contiene 0.5 kg de nitrógeno gaseoso a 6 bares y 17 ºC. El gas recibe 798 kJ de calor 
desde un depósito a 450 K. Calcular: 
a. El cambio de entropía del hidrogeno, en kJ/K; 
b. El cambio total de entropía para el proceso en conjunto, en kJ/K; 
c. ¿Es el proceso reversible, irreversible o imposible? 
 
P4. Monóxido de carbono a 1 bar y 37 ºC se comprime en un sistema cerrado hasta 3 bares y 147 ºC. El fluido recibe un trabajo 
de 88 kJ/kg, y la temperatura de los alrededores es 25 ºC. Determinar: 
a. El cambio de entropía del CO, en kJ/(kg*K); 
b. La pérdida de calor hacia los alrededores, en kJ/kg; 
c. El cambio total de entropía del conjunto de CO y del medio ambiente, en kJ/(kg*K). 
 
P5. En una tobera entra aire a 3 bares, 127 ºC y 30 m/s. Durante su paso ocurre una pérdida de calor de 4.40 kJ/kg, y el fluido 
sale a 2 bares y 270 m/s. El calor que pierde el gas va al ambiente a 17 ºC. Determinar: 
a. La temperatura final, en ºC; 
b. El cambio de entropía del aire, en kJ/(kg*K); 
c. El cambio total de entropía del proceso en conjunto; 
d. ¿Es el proceso reversible, irreversible o imposible? 
e. Representar el proceso en un diagrama T-s. 
 
P6. En una turbina entra aire a 6 bares y 277 ºC y sale a 1 bar. El gasto masico es 50 kg/min, y la potencia es 180 kW. Si el calor 
extraído, que aparece en el ambiente a 22 ºC, es 28.5 Kj/kg, hallar: 
a. La temperatura final, en ºC; 
b. El cambio de entropía del aire, en kJ7(kg*K); 
c. El cambio total de entropía del proceso en conjunto; 
 
P7. Se estrangula oxigeno desde 2 bares y 600 K hasta 1.2 bares. Determinar: 
a. El cambio de entropía del gas, en kJ/(kg*K); 
b. ¿Es el proceso reversible, irreversible o imposible? 
 
 
 
 
P8. Un tanque rígido con un volumen de 1m3 contiene inicialmente agua a 30 bares y 600 ºC. La sustancia se enfría hasta que 
su temperatura alcanza 200 ºC. El ambiente, que recibe el calor expulsado, se encuentra a 1.1 bares y 27 ºC. Determinar: 
a. La presión final, en bares; 
b. El cambio de entropía del agua, en kJ/K; 
c. El cambio de entropía del proceso; 
d. ¿Es el proceso reversible, irreversible o imposible? 
e. Representar el proceso en un diagrama T-s. 
 
P9. En un compresor de flujo estacionario entran 0.10 kg/s de refrigerante 12 a 2.8 bares y 60 ºC. Se afirma que una potencia 
de 1 kW producirá un estado final de 14 bar y 60 ºC. La temperatura de los alrededores es 50 ºC. Determinar: 
a. El cambio de entropía del refrigerante a su paso por el compresor, en kJ/(kg*K); 
b. La rapidez de transferencia de calor hacia o desde el equipo, en kJ/s; 
c. El cambio total de entropía del proceso; 
d. ¿Es el proceso reversible, irreversible o imposible? 
 
P10. Refrigerante 12 a 2.8 bares y 60 ºC se comprime en un sistema cerrado hasta 14 bares. El proceso es isotérmico e 
internamentereversible, y la temperatura del ambiente es 25 ºC. Determine: 
a. La transferencia de calor y el trabajo necesario, en kJ/kg; 
b. El cambio total de entropía del proceso en conjunto, en kJ/(kg*K) ; 
c. Representar el proceso en un diagrama T-s. 
 
P11. En un cilindro con embolo hay refrigerante 12 inicialmente a 6 bares y 80 ºC. Se comprime cuasiestaticamente y a presión 
constante, mediante un trabajo de 13.63 kJ/kg. La temperatura de los alrededores es de 20 ºC. Determinar: 
a. El volumen especifico final, en cm3/g; 
b. La entropía especifica final, kj/(kg*K); 
c. La transferencia de calor, en kJ/kg; 
d. El cambio total de entropía del proceso en conjunto, en kJ/(kg*K) ; 
e. Representar el proceso en un diagrama T-s. 
f. ¿Es el proceso reversible, irreversible o imposible? 
 
P12. Una turbina de vapor funciona con una condición de entrada de 100 bares y 520 ºC, y un estado de salida de 1 bar y 200 
ºC. El equipo produce 2010 kW de potencia con un gasto masico de 10000 kg/h. La temperatura atmosférica es 27 ºC. Determinar 
el cambio total de entropía del proceso en conjunto, en kJ/(kg*K) ; 
 
P13. Refrigerante 12 inicialmente a 6 bares y con una calidad de 50% fluye a través de uno de los lados de un intercambiador 
de calor. A su paso por el equipo a presión constante, se convierte en vapor saturado. 10 kg/min de aire, inicialmente a 1.1 bares 
y 42 ºC, pasan por el otro lado, saliendo a 1.05 bares y 22 ºC. Determinar: 
a. El gasto másico del refrigerante, en kJ/(kg*K); 
b. El cambio de entropía especifica del refrigerante, en kJ/(kg*K); 
c. El cambio total de entropía del proceso en conjunto, en kJ/(kg*min). 
 
PROCESOS ISOENTROPICOS 
P1. Nitrógeno a 3 bares, 400 K y 120 cm3 se expande reversible y adiabáticamente hasta 1.7 bares en un sistema cerrado. 
Determinar: 
a. La temperatura final, en K; 
b. El trabajo en kJ; 
c. El volumen final en cm3. 
 
P2. Un cilindro con embolo contiene aire, inicialmente a 157 ºC, 0.307 MPa y 760 cm3. El gas se expande isentrópicamente hasta 
0.097 MPa. Determinar: 
a. La temperatura final, en ºC; 
b. La masa de aire, en kg; 
c. El volumen final en cm3; 
d. El trabajo, en kJ. 
 
P3. A través de una turbina se expande aire desde 1.5 hasta 0.1 MPa y 27 ºC. Los cambios de las energías cinética y potencial 
son despreciables, y el proceso es adiabático e internamente reversible. El gasto másico es 40 kg/ min y la velocidad de salida es 
50 m/s. Determinar: 
a. La temperatura inicial, en ºC; 
b. La potencia, en kJ; 
c. El área de salida, en cm2. 
 
P4. A través de un compresor fluye una corriente de 5 kg/s de nitrógeno gaseoso que sufre un cambio isentrópico desde 1 bar y 
17 ºC hasta 2.7 bares. El cambio de la energía cinética es igual a 5 kJ/ kg. Calcular: 
a. La potencia, en kW; 
b. El diámetro de la entrada, en cm, si la velocidad de entrada es 120 m/s. 
 
P4. Se expande vapor de agua saturado a 8 bares, en la cantidad de 9 g, en un proceso reversible y adiabático hasta una presión 
de 1.5 bares en un sistema cerrado. Calcular: 
a. El trabajo, en kJ; 
b. El cambio de volumen, en L; 
c. Esquematizar el proceso en un diagrama T-s. 
 
P5. Una turbina adiabática de vapor de agua opera con condiciones de entrada de 140 bares, 480 ºC y 150 m/s. Las condiciones 
de salida son 10 bares y 250 m/s, el gasto másico es 10000 kg/h. Si el proceso es reversible, determinar: 
a. La temperatura de salida, en ºC; 
b. El trabajo, en kJ/kg; 
c. La potencia, en kW; 
d. El área de entrada en cm2; 
e. Esquematizar el proceso en un diagrama P-v y T-s, relativos a la línea de saturación. 
 
P6. Se comprime refrigerante 12 desde un estado de vapor saturado a 5 bar hasta una presión final de 9 bar en un proceso de 
flujo estacionario. 
a. Determinar la mínima temperatura posible, si el proceso es adiabático. 
b. Determine el trabajo de flecha mínimo, en kJ/kg. 
c. Si la temperatura final real es 10 ºC mayor que la temperatura mínima, debido a las irreversibilidades, ¿Cuál es el aumento 
porcentual que se necesita en el trabajo de flecha?