Guía de Ejercicios Transferencia de Calor y Primera Ley de La Termodinámica

Universidad Dr.José Matías Delgado Facultad de Ingeniería Materia: Física II Docente: Ing. Silvia M. Henríquez de Castillo GUÍA DE EJERCICIOS DE MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Y PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁNICA 1. Un ambiente está separado de otro por una pared de corcho de 12 cm de espesor y 3.5 m² de superficie. ¿Qué cantidad de calor ha pasado de uno a otro ambiente en 3 horas y 20 minutos si en uno de ellos la temperatura es de 65 °C y en el otro es de 17 °C? (k = 0.0001 cal/cm.°C.s). R/ 16.80 kcal. 2. Una olla de hierro tiene un fondo de 6 mm de espesor y 0.075 m 2 de área. En la olla hay agua que esta hirviendo a la presión atmosférica. Si pasan 3200 Kcal a la olla, ¿cuál es la temperatura de la cara inferior del fondo? 3. Una barra de cobre de 2 cm de diámetro exterior tiene en su interior un núcleo de acero de 1 cm de diámetro. El conjunto tiene una longitud de 1 m. Uno de sus extremos está en contacto con agua en ebullición mientras que el otro extremo está en contacto con hielo en fusión. Si el conjunto se encuentra aislado del exterior. ¿Cuál será el flujo total de calor en la barra y el porcentaje transportado por cada sustancia?. Los coeficientes de conductibilidad son: k = 0.92 cal/cm s °C, k = 0.92 cal/cm s °C, k = 0.12 cal/cm s °C 4. Una placa de hierro de 2 cm de espesor tiene una sección recta de 5000 cm 2. Una de las caras se halla a la temperatura de 150 ºC y la opuesta a 140 ºC. Calcular la cantidad de calor que se transmite por segundo. La conductividad térmica del hierro vale 0.115 cal/s.cm.ºC. R/ 2875 cal/s 5. a) Si la temperatura promedio de la piel de algún alumno es 30º C, suponiendo una emisividad e = 0.97, calcular la radiación que emite. b) Si la temperatura promedio de las paredes de la sala donde se encuentra es 15º C, calcular la radiación que emite, considerada como cuerpo negro. c) Calcular la radiación neta para el alumno. 6. Una varilla larga cilíndrica de 2 cm de diámetro y 1 m de largo, calentada mediante electricidad, se instala en un horno de vacío. La superficie de la varilla tiene una emisividad de 0.9 y se mantiene a 1000 K, mientras que las paredes R/ 67. (b) la energía agregada a él por calor. R/-3. Un calentador eléctrico de 10 W dentro de la caja mantiene la temperatura interior a 15°C sobre la temperatura exterior.0753 W/m°C.6 KJ 12. Una muestra de 2 moles de helio inicialmente a 300 K y 0. La conductividad térmica de la mica es igual a 0. 11. 9.¿Cuánto trabajo se realiza sobre el vapor cuando 1 mol (m = 18 g) de agua a 100°C hierve y se convierte en 1 mol de vapor a 100°C a 1 atm de presión? Suponiendo que el vapor se comporta como gas ideal. R/-48. 16. ¿Cuál es la temperatura de operación del transistor?. 10. y (c) el cambio en su energía interna.9 °C. y (c) la energía transferida por calor. Coeficiente de dilatación lineal del aluminio Al = 24 x 10-6 °C-1.Un gas es llevado a través del proceso cíclico descrito en la figura P20. Encuentre (a) el trabajo realizado sobre el aluminio. El transistor está eléctricamente aislado del disipador por una hoja rectangular de mica que mide 8. el proceso sigue la trayectoria ACBA. que tiende a sobrecalentarse. R/ 1893 W 7. (b) el trabajo realizado sobre el gas. Para evitar sobrecalentamiento.25 mm por 6.2 atm. R/ 2.2 KJ. Observando que el helio se comporta como gas ideal. Calcular el flujo calorífico neto de la varilla emitido por radiación y el coeficiente de transferencia de calor por radiación. es decir. determine el cambio en energía interna del material cuando se vaporiza.1 KJ. y 0.6 mJ. encuentre (a) el volumen final del gas. La temperatura del disipador de calor permanece constante a 35°C bajo condiciones de estado estable. Suponga que la energía que entra al dispositivo a razón de 1.22 x 10-2 W/m °C 8. (a) Encuentre la energía neta transferida al sistema por calor durante un ciclo completo. está hecha de un material aislante. Una caja con un área superficial total de 1.2 KJ. 37. el transistor está unido a un enorme disipador metálico de calor con aletas.Un bloque de 1 kg de aluminio se caliente a presión atmosférica de modo que su temperatura aumenta de 22°C a 40°C.30. Un transistor de potencia es un dispositivo electrónico de estado sólido.50 W por transmisión eléctrica hace que aumente la energía interna.2 m 2 y un grosor de pared de 4 cm. Encuentre la conductividad térmica k del material aislante. El área superficial del transistor es tan pequeña. 16.0852 mm de grueso.internas del horno son negras y están a 800 K.25 mm. ¿cuál la energía neta de entrada por ciclo por calor? . (b) ¿Qué pasaría si? Si el ciclo se invierte.4 atm se comprime de manera isotérmica a 1. y un área de 5 cm 2 y está libre para subir y bajar. .Un gas ideal inicialmente a 300 K experimenta una expansión isobárica a 2. 305 K 15. El émbolo tiene una masa de 8000 gr.0 L.50 kPa.80 atmósferas de 9 L a 2 L.Un gas ideal está encerrado en un cilindro con un émbolo movible sobre él.Un mol de gas ideal se somete al proceso cíclico de la figura. ¿cuáles son (a) el cambio de su energía interna y (b) su temperatura final?. b) Considere que el proceso describe una línea recta entre los estados iniciales y finales en el diagrama presión volumen. a) ¿Cuál es el trabajo efectuado por el gas?. R/ 0. R/ –567 J. 18. R/ -466 J.00765 m 3.Un mol de un gas ideal realiza 3000 J de trabajo sobre su entorno cuando se expande de manera isotérmica a una presión final 1. El gas se comprime hasta una presión final de 60 lbf/pulg2.Un gas es comprimido a una presión constante de 0.13.00 m3. b) ¿Cuál es el cambio en su energía interna?. En el proceso. Si el volumen aumenta de 1. 900 K.5 KJ. Determine (a) el volumen inicial y (b) la temperatura del gas. 16. manteniendo constante la presión del gas. a) Calcular el trabajo en cada uno de cuatro procesos.5 kJ se transfieren al gas por calor. 14. Determine: a) El trabajo de compresión si es un proceso isotérmico. Determine el trabajo por compresión es éste caso y compare el diagrama a) y b).00 atm y volumen de 25. 400 J de energía térmica salen del gas. 167 J 17. R/7. ¿Cuánto trabajo se realiza sobre el gas cuando la temperatura de 0. c) Calcule T3.2 mol del gas se eleva de 20°C a 300°C?. b) Determine ∆U.Un sistema de pistón-cilindro contiene un gas ideal con un volumen inicial de 3 pies cúbicos.00 m 3 a 3. la presión inicial de 20 lbf/pulg 2 y una temperatura de 60 ºF. 12. W y Q para el ciclo completo. 114 J.Tres kilomoles (6 kg) de gas hidrógeno a 1 atm de presión. 6. 20.84 J .8 MJ.99 J 22.2 MJ.99 J. en la porción CD y en la porción DA del ciclo b. . e) Si Uab = 15 J ¿cuánto vale el calor para el proceso bc?. R/ 546 °K. . en la porción BC. Q = 4.volumen para el proceso. 68 J.6 cm de diámetro desde el fondo de un lago de 14 m de profundidad. b) cuando el gas se eleva a lo largo de la trayectoria cda el trabajo que realiza el gas es de 38 J ¿cuánto calor se agrega al gas en el proceso?. R/ 30 J. c) ¿cuánto cambió la energía interna del gas? d) ¿cuánto calor entró al gas durante la expansión?. el cambio es energía interna y el calor agregado o eliminado del aire en la burbuja conforme ésta se eleva. cv = 10 kJ/kg °K.En el diagrama P-V que se muestra en la figura se presenta el ciclo de un gas en un sistema pistón – cilindro determine: a. .119 cal . a) ¿De qué tamaño es la burbuja cuando alcanza la superficie. El trabajo neto generado por el gas durante el ciclo R/ 0.2 Pd ¿cuánto trabajo realiza el gas en el proceso abc?. 23. c) aplicando la primera ley de la termodinámica a la burbuja determine el trabajo que realiza el aire al elevarse a la superficie.5 J c. b) ¿cuál es el trabajo de expansión efectuado por el gas?. 85 J de calor salen del sistema y 55 J de trabajo se realizan sobre el sistema. b) dibuje de el diagrama presión .2 m 3 se expanden isobáricamente al doble de su volumen. c) Si P a 2. a) Determine el cambio de energía interna de a a c.4 MJ. El trabajo realizado en la porción AB.Un buzo libera una burbuja (esférica) de aie de 3. Para el H2.39 cm. R/ 2.15 J 21. U = 0. Suponga que la temperatura es constante a 298 K y que el aire se comporta como un gas ideal.El proceso de llevar un gas del estado a al estado c a lo largo de la trayectoria curva que se muestra en la siguiente figura. W = 4.19. 16. 20 °C y 67. d) ¿cuánto vale el calor para la trayectoria abc?. a) ¿Cuál es la temperatura final del gas. El flujo neto de calor hacia el interior del gas por ciclo R/ 0. P (Pa) A 4 x 10 5 2 x 10 5 B C D F 1 E 2 3 4 3 V (cm ) .