~ 15 ~Problemas relacionados con la primera ley de la termodinámica en sistemas cerrados. P55. Dos tanques están conectados por una válvula. Un tanque contiene 2 kg de gas monóxido de carbono a 77oC y 0.7 bar. El otro tanque contiene 8 kg del mismo gas a 27oC y 1.2 bar. La válvula es abierta permitiendo a los gases mezclarse. La temperatura final de equilibrio es de 42oC. Usando el modelo de gas ideal, determinar la transferencia de calor en el proceso. P56. Se calienta un cuarto de 12 ft X 15 ft X 20 ft mediante el radiador de un sistema de calefacción de vapor. El radiador de vapor transfiere calor a una tasa de 10, 000 BTU/h, y se utiliza un ventilador de 100 W para distribuir el aire caliente en el cuarto. Se calcula que la tasa de pérdida de calor del cuarto será cercana a 5, 000 BTU/h. Si la temperatura inicial del aire del cuarto es de 45oF, determinar el tiempo que se requiere para que la temperatura del aire sea de 75oF. Cuarto Vapor Radiador Ventilador P57. Un recipiente de 5 m3 contiene 0.05 m3 de agua líquida y 4.95 m3 de vapor saturado a 100 kPa. Se transfiere calor, hasta llenar completamente el recipiente de vapor saturado. Trazar el proceso termodinámico, calcular el trabajo desarrollado en el proceso y determinar el calor transferido. P58. El tanque A tiene un volumen de 100 L y contiene refrigerante saturado 134a a 20oC. La válvula se agrieta y el refrigerante fluye lentamente hacia el cilindro B. Se requiere de una presión de 240 kPa en el cilindro B para levantar la masa del pistón. El proceso termina cuando la presión en el tanque cae a 240 kPa. Durante este proceso, el calor es transferido de tal forma que la temperatura del refrigerante permanece siempre a 20oC. Calcular el calor transferido en este proceso. A B La tasa de transferencia de calor hacia el auditorio a través de las paredes y las ventanas se estima que será igual a 150. La presión atmosférica es de 101 kPa. cada una de 250 W nominales. ~ 16 ~ P59. El material del globo es tal que la presión en el interior siempre es proporcional al cuadrado del diámetro. Cuando el émbolo alcanza los topes el volumen encerrado es de 0. determinar el calor transferido justo antes de que émbolo alcance los topes superiores. P64. Un recipiente rígido de 12 L contiene 48 gramos de vapor húmedo a una presión de 1. determinar el trabajo entregado por el eje y el par torsor constante aplicado. Se transfiere calor al agua.4 bar.500 personas se va a acondicionar con aire mediante unidades de ventana de 10 kW de valor nominal.000 kJ/h. Un dispositivo cilindro émbolo con un conjunto de topes en la parte superior contiene 5 kg de agua líquida saturada a 200 kPa. P62. P61. La presión y temperatura inicial del aire es 101 kPa y 20oC. Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 3 lb de vapor de agua saturado a 40 psia. Suponer que una persona en reposo disipará calor a una tasa aproximada de 360 kJ/h. . H2O 200 kPa. Si el aire de auditorio se va a mantener a temperatura constante de 200C. En seguida se añade más calor hasta que se duplica la presión. Se transfiere energía hasta lograr vapor saturado. Existen 200 lámparas en el auditorio.075 m 3. Determinar la transferencia total de calor 5 kg. P63. Trazar el proceso termodinámico en un diagrama T-P-v. Un globo esférico contiene 10 lb de aire a 30 psia y 800R. El sistema recibe 600 BTU de calor y se efectúa cierta cantidad de trabajo sobre el agua mediante un eje con hélices hasta que se alcanza la temperatura de 800oF. Trazar el proceso termodinámico en un diagrama T-P-v. Un auditorio con capacidad para 3. P60. lo que provoca que una parte del líquido se evapore y mueva al émbolo hacia arriba. Determinar la transferencia de calor necesaria para que el volumen del globo se duplique. determinar el número de unidades de acondicionamiento de aire de ventana requeridas.005 m2 y masa de 25 kg descansa inicialmente sobre los topes inferiores. y determinar el calor transferido. Si el eje rotó durante 5000 revoluciones. El émbolo del cilindro con área de 0. El aire del interior del cilindro se calienta hasta que el émbolo alcanza los topes superiores. Suponer que la masa molar del gas es de 29. Un dispositivo cilindro-émbolo contiene un gas que experimenta una serie de procesos cuasiestáticos (muy lentamente) que constituyen un ciclo. Hacer un diagrama apropiado al enunciado y calcular la cantidad de calor suministrada a cada sistema. ~ 17 ~ P65. El sistema es calentado hasta que la presión alcanza 600 kPa. Cada sistema contiene 32 lbm de un gas ideal a la misma presión.79 Trazar el ciclo termodinámico en un diagrama P-V y determinar el calor total transferido en el ciclo. Un coche tanque de 10 m3 se llena con metano a 7. P71.9 MPa y – 73oC.9 570 465 3.5m x 4m x 2.8m enciende su ventilador de 100 W antes de salir del cuarto en un día de verano.3% de calidad.45 5700 1095 6. P70. un dispositivo de cilindro-émbolo y un tanque rígido. después de cierto tiempo la sustancia sufre un incremento de temperatura de 86oC. Un estudiante que vive en un cuarto dormitorio de 3.47 2 23. 3-4 Expansión adiabática y 4-1 Volumen constante. temperatura y volumen.9 1710 1940 11.02 4 4. Si la cantidad de calor suministrada es diferente. Como resultado de la transferencia de calor. y calcular la transferencia de calor en el proceso termodinámico. P67. Se comprime muy lentamente y a temperatura constante 5 lbm de amoniaco en el interior de un sistema cerrado desde una presión de 30 psia y 200oF hasta una presión de 50 psia. P66.95 5700 20 1. Mostrar el proceso en el diagrama de fase y determinar la energía perdida en forma de calor. Determinar la transferencia de calor en el proceso. Un tanque rígido contiene 25 lb de agua a una presión desconocida y 800oF. Cuando la sustancia se encuentra a 450oF se tienen 20 lb de vapor. .2-3 Presión constante. P72. Un tanque rígido de 40 ft3 contiene refrigerante 134a en la forma de vapor saturado a 200 psia.5 lb m/lbmol. Debido al mal aislamiento térmico. P69. Un balón esférico contiene 2 kg de R134 a 0oC con 30% de calidad. oC U. Determinar la transferencia de calor en el proceso. cuyo registro de datos se muestra. la presión del refrigerante disminuye a 100 psia. Espera que el cuarto esté más frio cuando regrese en la noche. Puede asumirse que la presión es directamente proporcional al diámetro del balón. P73. Determinar el número de ciclos dados por el eje y la presión y temperatura finales del agua. Los procesos termodinámicos son:1-2 Compresión adiabática.67 3 23. determinar el excedente de energía en forma de calor que debe suministrarse a uno de los sistemas. Una rueda de paletas gira en el interior del tanque movida por un motor externo hasta que el agua pasa a vapor saturado. Determinar la temperatura en el cuarto cuando regrese 10 h después. Kj 1 0. Estado P (bar) V (cm3) T. Trazar el proceso termodinámico en un diagrama T-P-v. Suponer que la puerta y ventana están herméticamente cerradas y descartar cualquier transferencia térmica entre las paredes y ventanas. P68. Trazar el proceso. Se tienen 2 sistemas. Por alguna razón se desea incrementar la temperatura del gas en 64oF en ambos sistemas. determinar la transferencia de calor en el proceso. El aire del cuarto está a 100 kPa y 15oC en la mañana cuando sale. Un depósito rígido y térmicamente aislado contiene 100 gramos de agua a 3 bar y 76. se sabe que el trabajo realizado sobre el muelle es de 108 lb-ft y que el émbolo es de masa despreciable y que se desplaza sin fricción. y la transferencia de calor. Se calientan 8 kg del gas. Un gas ideal tiene una capacidad térmica específica a presión constante de 2. en el interior de un tanque rígido. Se calientan 15 lb del gas. Un dispositivo de cilindro –émbolo contiene 1. determinar el par aplicado al eje de la rueda de paletas. Después se elimina la separación y el refrigerante llena todo el tanque. y una rueda de paletas da 2. 000 vueltas en el interior. Un lado del tanque contiene 0.04. Mediante un resorte externo comprimido y una presión atmosférica de 15 psi. ~ 18 ~ P74. de modo que la presión inicial total del aire del aire del interior del cilindro es 25 psi.01 m3 de refrigerante 134a en forma de líquido saturado a 0. así como trazar el proceso termodinámico en un diagrama de fase. P78. así como trazar el proceso termodinámico en un diagrama de fase. y una masa molecular de 16. de 45 a 345oF. Conociendo la constante del resorte. Un tanque cuyo volumen se desconoce se divide en dos partes por medio de una separación. P77. El área del émbolo es de 0.8 Mpa. se mantiene un émbolo en una posición de equilibrio inicial.5 kg de vapor de agua saturada a 3 bar. Graficar el proceso termodinámico en un diagrama de fase. Trazar el proceso. Un gas ideal tiene una capacidad térmica específica a presión constante de 0. P75. R134a Vacío . Patm 6 plg P1= 25 psia 6 plg 0 T1= 40 F P76. Determinar el calor transferido en el proceso. Se transfiere una cantidad de calor tal que el resorte se comprime 6 plg y la presión alcanza el valor de 35 psi. en el interior de un tanque rígido.2 kJ/kg oK y una masa molecular de 16. oF. determinar el volumen del tanque. Se le suministran 600 kJ en forma de calor. la variación de energía interna del gas.1 ft2.526 BTU/lb. Calcular el trabajo total realizado por el gas. de 25 a 225oC. Si el estado final del refrigerante es de 25oC y 200 kPa. Si la temperatura final es de 400oC. despreciando la energía almacenada en la rueda.04. en tanto que se vacía el otro lado. Determinar el calor transferido en el proceso. En este estado de equilibrio. Después se permite que el refrigerante se expanda isotérmicamente (temperatura constante). Suponga que la presión y temperatura crítica de la sustancia es de 250 psia y 1260R respectivamente.5 veces la presión inicial. Se divide un tanque rígido y aislado en dos volúmenes iguales. mediante una división. Suponga que la presión y temperatura crítica de la sustancia es de 55 bares y 150oC respectivamente. la presión y temperatura son 5 bar y 300oC. P84. disminuyendo de manera gradual la presión en un proceso de cuasiequilibrio (muy lentamente) hasta un valor final de 600 kPa. mientras que la otra permanece vacía. La transferencia de calor hacia los alrededores es estimada que ocurre a una tasa constante de 20 W. P82. mediante una separación. P83. Después se transfiere calor al aire y el émbolo se eleva hasta que hace contacto con los topes. P80. punto en el cual el volumen es 1. Calcular el trabajo realizado y la transferencia de calor durante el proceso.3= cte. Dos kilogramos de gas con peso molecular de 28 están contenidos en un tanque rígido cerrado. . determinar la presión y temperatura final de la sustancia. mientras que la otra permanece vacía. Suponiendo comportamiento de gas ideal determine el valor promedio del cp en kJ/kg. En este estado de equilibrio. Un dispositivo de cilindro-émbolo sin fricción contiene 12 kg de vapor saturado de refrigerante 134a a 60oC. Inicialmente se introduce 8 kg de sustancia a una de las dos divisiones. Aplicando la primera ley de la termodinámica. hasta que alcanza una temperatura final de 600 K. Se divide un tanque rígido y aislado en dos volúmenes iguales. permitiendo a la sustancia ocupar el tanque completo.5 veces el inicial. la presión y temperatura son 20 psia y 700oF. Trazar el proceso termodinámico en un diagrama de fase y determinar la cantidad total de calor transferido en el proceso. Un dispositivo de cilindro. determinar la presión y temperatura final de la sustancia. Aplicando la primera ley de la termodinámica.3oC. Se transfiere más calor hasta que la presión interior del cilindro es 1. El etano se comprime lentamente de acuerdo con la relación PV1. En ese momento se abre la división. P81. En ese momento se abre la división. permitiendo a la sustancia ocupar el tanque completo. con un conjunto de topes en la parte superior.émbolo contiene 2 kg de etano a 150 kPa y 500 K. Inicialmente se introduce 15 lb de sustancia a una de las dos divisiones. ~ 19 ~ P79. contiene 3 libras de aire a 30 psia y 80oF.K del gas en éste intervalo de temperatura basado en los datos medidos. Un dispositivo de cilindro-émbolo. Las mediciones indican que cuando el equilibrio es alcanzado la temperatura del gas se ha incrementado en 40. Una resistencia eléctrica colocada en el tanque deja pasar una corriente de 10 A a un voltaje de 12 V durante 10 minutos. Trazar el proceso termodinámico en un diagrama de fase y determinar el % de error implicado si se considera el vapor del refrigerante como un gas ideal. Determinar la presión final en el cilindro. Si la masa del pistón requiere 300 kPa para moverse contra la presión atmosférica exterior. Suponer calores específicos constantes a temperatura ambiente. Determinar el tiempo en que se tendrá una calidad de 0. Se calienta un cuarto de 4m x 5m x 7m mediante el radiador de un sistema de calefacción de vapor. Graficar el proceso en un diagrama P-T-v. el volumen es de 400L.5 m3. Si la temperatura inicial del cuarto es 10oC. Cuando el pistón alcanza los topes superiores el volumen es de 600L. la transferencia de calor. y circula por la resistencia una corriente de 8 A cuando se acciona el interruptor. determinar cuánto tiempo se requerirá para que la temperatura del aire aumente a 20oC. en el que libre de fricción el pistón es libre de moverse entre dos conjuntos de topes. 350oC y 1. Mostrar el proceso gráficamente y determinar la cantidad de calor transferido y la masa del vapor.000 kJ/h. Al inicio 60 % de la masa está en la fase líquida. Se calcula que la tasa de pérdida de calor del cuarto será cercana a 5. y 20 % de calidad. P87. Un dispositivo de cilindro émbolo contiene vapor a 1 MPa . H2O P88. suponiendo que durante este proceso se disipa a los alrededores en forma de calor 10 kJ. y se utiliza un ventilador de 100 W para distribuir el aire caliente en el cuarto. El cilindro es calentado hasta que eventualmente el agua existe como vapor saturado. Se deja que el vapor se enfríe a presión constante hasta antes de que empiece a condensarse. ~ 20 ~ P85. Trazar el diagrama de fase. P86. Cuando el pistón permanece en los topes inferiores. Considere el arreglo pistón – cilindro mostrado.9.000 kJ/h. El cilindro inicialmente contiene agua a 100kPa. Un tanque rígido contiene 4 kg de una mezcla saturada de agua a 200 kPa. Cuarto Vapor Hélice . Una resistencia eléctrica colocada en el tanque se conecta a una fuente de 220 V. El radiador de vapor transfiere calor a una tasa de 10. Un dispositivo de cilindro – émbolo contiene 3 ft3 de aire a 60 psia y 150 oF . Un tanque de 10 ft3 contiene O2 inicialmente a 14. Se comprime isotérmicamente (temperatura constante) y cuasiestáticamente (muy lentamente) 250 gramos de aire en el interior de un sistema cerrado. P90. h Suponer que se encuentran 150 personas en el auditorio y que el sistema de ventilación falla. P92. Al inicio 2 % de la masa está en fase líquida a una presión de 500 kPa. 70oF y 15 ft3. después. P91.85 gramos. P96. Dos tanques rígidos están conectados por medio de una válvula. Dibujar el diagrama de fase del proceso y calcular la transferencia de calor en el proceso. La expansión ocurre a un estado donde la presión es de 150 kPa. Trazar el proceso termodinámica en un diagrama de fase. Un recipiente rígido de 8 dm3 contiene vapor húmedo a una presión absoluta de 1 bar. Determinar el trabajo hecho por la rueda. El calor se transfiere al aire en la cantidad de 40 BTU cuando el aire se expande isotérmicamente. ~ 21 ~ P89. El tanque A contiene 0. se comprime en un proceso politrópico (PVn = C) hasta 60 psia y 3000F. kJ P93. La válvula se abre y con el tiempo los dos tanques alcanzan el mismo estado termodinámico. La tasa de transferencia de calor a los alrededores de una persona inactiva es de aproximadamente 400 . Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene gas helio a 25 psia. Un sistema cilindro-émbolo contiene agua . Durante el proceso la presión y el volumen específico están relacionados por P v = C. Alrededores A Alrededores B T = 25oC T = 25oC P = Patm P = Patm Alrededores T = 25oC P = Patm . P95. Considerando como sistema al auditorio y todas las personas adentro ¿Cuál es el cambio de energía interna? P94. calcular el calor que debe suministrarse al sistema para transformarlo en vapor saturado seco.7 psia y 800F. Determine la cantidad de trabajo de frontera efectuado durante este proceso. Determinar la cantidad de calor transferido cuando el sistema alcanza el equilibrio térmico con los alrededores a 25oC. Si la cantidad de vapor en el recipiente es de 7.8 m3 de H2O a 200 kPa y 500oC. desde una presión de 1 bar y 30o centígrados hasta una presión de 3 bar. Durante el proceso 20 BTU de calor se pierden en los alrededores.4 m3 de H2O a 800 kPa y con una calidad de 60 %. Calcular el trabajo realizado y la transferencia de calor en el proceso. El helio. Determinar la transferencia de calor en este proceso. El tanque B contiene 0. y trazar el proceso en un diagrama de fase. Una rueda con aspas dentro del tanque rota hasta que la presión se incrementa a 20 psia. Calcular el incremento de energía interna del aire en el auditorio durante los primeros 15 minutos después de que el sistema de ventilación ha fallado.