Capítulo 4r L n gas ideal se da como = RJ~. donde las unidades de T7 y .«spccñvamente. Ahora, 0.5 kmol de est a 4 m? en un proceso en cuasiequilibrio K Determine ti) la unidad i y b) el trabajo hecho durante •••• isotérmica. xx coevo el problema 4-19 y use la car : n de] software EES para npai -' <u resultado con el ob: el problema 4-19 y grailema en un diagrama P-v. contenido en un dispositivo de de 0.3 a 0.1 m3. Durante el prorelacionan mediante P = . Calcule el trabajo hecho sobre el esK proceso. Respuesta: 53.3 kJ ác cilindro-émbolo contiene hidró: Er. este estado, un resorte lineal - rte de 15 000 Ibf/pie toca el : za sobre él. El área de secí- 3 pies2. Se transfiere calor al : expanda hasta duplicar su vo! lal, /') el trabajo total que '¿í fracción de este trabajo hecho so. T. proceso en un diagrama .jro-émbolo contiene 50 kg de irea de sección transversal del re calor al agua, lo cual causa ?anda; cuando el volumen llega in resorte lineal cuya constante .--riere más calor al agua hasta > Determine a) la presión final 1 realizado durante este proceso, en un diagrama P- (/. Respues5kJ / 4-24 203 JM| Retome nuevamente el problema 4-23 y por mel£ÜJ dio del software EES investigue el efecto de la constante de resorte sobre la presión final en el cilindro y e! trabajo de frontera realizado. Suponga que la constante de resorte vana de 50 kN/m a 500 kN/m. Trace la presión final y el trabajo de frontera en función de la constante de resorte y analice los resultados. 4-25 Determine el trabajo de frontera que realiza un gas durante un proceso de expansión si los valores de presión y volumen en varios estados se mide como 300 kPa, 1 L; 290 kPa, 1.1 L; 270 kPa, 1.2 L; 250 kPa, 1.4 L; 220 kPa, 1.7 L, y.200 kPa, 2 L. 4-26 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene al inicio 0.25 kg de gas nitrógeno a 130 kPa y 120°C. El nitrógeno se expande isotérmicamente hasta una presión de 100 kPa. Determine el trabajo de frontera hecho durante este proceso, Respuesta: 7.65 kJ N2 130kPa 120°C FIGURA P4-26 4-27 Inicialmente, un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 0.15 kg de aire a 2 MPa y 350°C. El aire se expande primero isotérmicamente hasta 500 kPa, luego se comprime politrópicamente con un exponente politrópico de 1.2 hasta la presión inicial y, por último, se comprime a presión constante hasta el estado inicial. Determine el trabajo de frontera para cada proceso y el trabajo neto del ciclo. Análisis de energía de sistemas cerrados 4-28 Un recipiente rígido de 0.5 m3 contiene refrigerante 134a inicialmente a 160 kPa y calidad de 40 por ciento. Se transfiere calor a esta sustancia hasta que la presión alcanza 700 kPa. Determine a) la masa del refrigerante en el recipiente y b) la cantidad de calor transferido. También, muestre el proceso en un diagrama P-v con respecto a las líneas de saturación. 4-29E Un recipiente rígido de 20 pies3 contiene inicialmente vapor saturado de refrigerante 134a a 160 psia. Como resultado de la transferencia de calor desde el refrigerante, la presión disminuye a 50 psia. Muestre el proceso en un diagrama P-v con respecto a las líneas de saturación y determine d) la temperatura final, b) la cantidad de refrigerante que se ha condensado y c) la transferencia de calor. •HURA P4-23 un resorte lineal (F « x) toca al émbolo pero no eje fuerza sobre él. En estado. Una resistencia eléctrica colocada en el recipiente se conecta a una fuente de 110 V. Se quita la separación y el agua se expande para llenar todo el recipiente. Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene ÜP inicio vapor a 200 kPa. Respuesta: 1 173 kJ 4-35E Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene al prináJ pió 0. 4-32 Un recipiente aislado está dividido en dos partes por una separación. b) la tempera final y c) la cantidad de calor transferido.5 Ibm de agua a 120 psia y 2 pies3. Se transfieren -'<tt¡ Btu al agua mientras que se mantiene constante la preskml Determine la temperatura final del agua y muestre el proco»[ en un diagrama T-v con respecto a las líneas de saturación. Al ii\jcio. Determine cuánto tarda en evaporarse todo el líquido en el recipiente y muestre el proceso en un diagrama T-v con respecto a las líneas de saturación. 4-33 . c) 808 kJ 4-38 FIGURA P4-32 r?{sfl Retome el problema 4-32 y con el software EES lÉÜ (u otro) investigue el efecto de la presión inicial del agua sobre la temperatura final en el recipiente.204 I Análisis de energía de sistemas cerrados 4-34 Un dispositivo que consta de cilindro-émbolo contiene 5 kg de refrigerante 134a a 800 kPa y 70°C. lo < provoca que la presión y el volumen aumenten a 500 kPí' 0. SHa mitad del líquido se e\ ¿sera durante este proceso a presión constante y el trabajo de • rueda de paletas equivale a 400 kJ. Analice los resultados. Determine la cantidad de calor perdido y muestre proceso en un diagrama T-v con respecto a las líneas de saturación. La sustancia •<. Muestre el proceso en un diagra P-v con respecto a las líneas de saturación y determine ¿ temperatura final. Suponga que la masa inicial varía de 1 a 10 kg y trace el tiempo de evaporación en función de la masa inicial. muestre el proceso en un diagrama P-. FIGURA P4-36 4-37 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene inicialmeJ te vapor a 1 MPa.5 m3. 200°C y 0. Respuesta: 224 V 4-30 Un recipiente rígido bien aislado contiene 5 kg de una mezcla de agua saturada de líquido y vapor a 100 kPa.6 m3. enfria a presión constante hasta que pasa a ser un líquido i 15°C. b) el trabajo realizado por el vapor y calor total transferido. Se deja enfriar el vapor^ presión constante hasta que empieza a condensarse. Determine la temperatura final del agua y el volumen del recipiente para una presión final de 10 kPa. determine el voltaje de fuente. Analice los resultados. 450°C y 2. respecto a las líneas de saturación. Mué el proceso en un diagrama T-v con respecto a las líneas de ¡ turación y determine o) la masa del vapor.5 kg de agua líquida comprimida a 60°C y 600 kPa mientras que la otra se encuentra al vacío. Se transfiere calor lentamente al vapor. FIGURA P4-30 4-31 u^j Considere de nuevo el problema 4-30 y mediante kÉÜ el software EES (u otro) investigue el efecto de la masa inicial de agua en el tiempo requerido para completar la evaporación del líquido. Respuestas: a) 1 132°C. El agua es agitada con ima rueda de paletas msmtras fluye una corriente de 8 A durante 45 minutos por una •• sistencia colocada en el agua.5 m3. tres cuartos de la masa están en la fase líquida. También. Una parte del recipiente contiene 2. Suponga que la presión inicial varía de 100 a 600 kPa y grafique la temperatura final en función de la presión inicial. respectivamente. /íjlfe. b) 35 kü. 4-36 Un dispositivo aislado compiiesto de cilindro-émboB contiene 5 L de agua líquida saturadi a una presión constaan de 175 kPa. una corriente de 8 A fluye por la resistencia una vez que se enciende el interruptor. Después de cierto tiempo.Capítulo 4 205 H. : -:. -e establece el equilibrio í a presión en el estado final es 300 la jalidad del vapor (si hay /y b) la cantidad de calor perdido 4-46C ¿La energía requerida para calentar aire de 295 a 305 K es la misma que la necesaria para calentarlo de 345 a 355 K? Suponga que la presión permanece constante en ambos casos. la temperatura promedio se mide en 20°C para el aire de la habitación y en 50°C para el aceite en el radiador. Suponga que la habitación está bien sellada y no tiene fugas. ¿cuál es la unidad correcta de e.*> lineas de saturación y determine nedio durante el proceso de calor. ¿Para qué caso considera que la energía requerida será mayor? ¿Por qué? 4-51 Determine el cambio de entalpia A/t del nitrógeno. 4-47C En la relación Aw = mc^AT. Suponga que . Después se enciende el radiador con una capacidad nominal de 1. Se retira la división y se permite que . En este estado. el sferencia total de calor.enlámente hacia el vapor hasta . b) el valor de cp a la temperatura RECIPIENTE B 3kg 150°C x = 0. Tanto la habitación como el aceite en el radiador están inicialmente a 10°C.2 kJ/kg • °C. en kJ/kg. Muestre el proceso en un diagra. : '.5 P4-41 . ¿Para qué caso considera que la energía requerida será mayor? ¿Por qué? 4-50C Una masa fija de un gas ideal se calienta de 50 a 80°C a) a volumen constante y b) a presión constante.: munto de topes y la masa del amere una presión de 300 kPa para L-:C '. 213 kJ 4-42 Un radiador eléctrico de 30 L que contiene aceite de calefacción se coloca en una habitación de 50 m3. kJ/kg • °C o kJ/kg • K? 4-48C Una masa fija de un gas ideal se calienta de 50 a 80°C a una presión constante de a) 1 atm y b) 3 atm.35 kJ/s.O >kPa : C mt^ H6URA P4-38 r nuevo el problema 4-38 y use el > u otro) para investigar el efecto de • ¿r-:: sobre la temperatura final. FIGURA P4-42 Calores específicos. Analice los resulr-Imdro-émbolo contiene inicialmen:. están separados mediante una A contiene 2 kg de vapor a 1 í. ¿Para qué caso considera que la energía requerida será mayor? ¿Por qué? 4-49C Una masa fija de gas ideal se calienta de 50 a 80°C a un volumen constante de a) 1 m3 y b) 3 m3.:e .r.. Aí/y \h de gases ideales 4-43C ¿La relación Aw = mcupromAr está restringida sólo a procesos de volumen constante o es posible usarla para cualquier clase de procesos de un gas ideal? 4-44C ¿La relación A/i = mc pprom Arestá restringida sólo a procesos de presión constante o se puede usar para cualquier clase de procesos de un gas ideal? 4-45C Demuestre que para un gas ideal cp = cv+ Ru. piente B contiene 3 kg de con una fracción masa del •B. .50 a 250°C y trace los resultac -¿ temperatura. determine cuánto tiempo se ha mantenido encendido el calentador. a 250 kPa.8 kW y al mismo tiempo se pierde calor desde la habitación a una tasa promedio de 0. respectivamente. . cuando se calienta de 600 a 1 000 K por medio de a) la ecuación empírica de calor específico como una función de la temperatura (Tabla A-2c). Si se toma la densidad y el calor específico del aceite como 950 kg/m3 y 2. Respuesia : HABITACIÓN 4mx6mx6m Ventilador Análisis de energía de sistemas cerrados: gases ideales 4-54C ¿Es posible comprimir un gas ideal isotérmicamente en un dispositivo adiabático compuesto por cilindro-émbolo? Explique. Éste transfiere calor a una tasa de 10 000 kJ/h y >c ventilador de 100 W para distribuir el aire caliente er. determine cuánto tiempo toma subir a temperatura del aire. Suponga calores específicos con temperatura ambiente.por.3 Btu/lbm 4-53 Determine el cambio de energía interna A« del hidrógeno. Determine o) el volumen del recipiente y b) la cantidad de transferencia de calor. El aire se calienta hasta duplicar su presión. cuando se calienta de 800 a 1 500 R._ sale. Determine la temperatura y presión finales en éste. cuando se calienta de 200 a 800 K. Suponga calores específicos constantes a temperatura ambiente. en kJ/kg. 4-58 Una habitación de 4 X 5 X 7 m se calienta —eá el radiador de un sistema de calefacción que funciona . 4-55E Un recipiente rígido contiene 20 Ibm de aire a 50 psia y 80°F. Respuestas: a) 170.: tación. W 178. 5 000 kJ/h HABITACIÓN 4mx5mx7m Vapor FIGURA P4-58 FIGURA P4-61 . determine la potencia requerida del calentador de resistencia.1 Btu/lbm.5 Btu/lbm. b) el valor de cv a la temperatura promedio (Tabla A-2¿>) y c) el valor de cv a temperatura ambiente (Tabla A-2a). 4-59 Un estudiante que vive en un dormitorio de 4 x m enciende su ventilador de 150 W antes de.91 kW FIGURA P4-59 4-60E Un recipiente de 10 pies3 contiene oxigene mente a 14. Se desea que el calor de la resistencia eleve la temperatura del aire en la habitación de 7 a 23°C en 15 min. c) 415. Determine a) la presión final en el recipiente y b) la cantidad de transferencia de calor. .8 kj/kg. Al inicio.7 psia y 80°F. b) 1 898 Btu 4-56 Un recipiente rígido de 3 m3 contiene hidrógeno a 250 kPa y 550 K.206 Análisis de energía de sistemas cerrados promedio (Tabla A-2£>) y c) el valor de cp a temperatura ambiente (Tabla A-2a). y la otra está al \~ó¿ Se quita la separación y el gas se expande en todo el re. con o) la ecuación empírica del calor específico como una función de la temperatura (Tabla A-2c). Respuestas: a) 80 pies3. b} el valor de cp a la temperatura promedio (Tabla A-2E¿>) y c) el valor de cp a la temperatura ambiente (Tabla A-2Ea). incipiente gira hasta que la presión interna sube a 20 vm Durante el proceso se pierden 20 Btu de calor hacia los ¿J* dedores. te. La tasa de pérdida de calor desde la habitación ma en 5 000 kJ/h. 4-61 Un recipiente rígido aislado está dividido en do* r¿m iguales mediante una separación. con o) la ecuación empírica de calor específico como una función de la temperatura (Tabla A-2Ec). . en Btu/lbm. una parte con^^ 4 kg de un gas ideal a 800 kPa y 50°C. 4-57 Una habitación de 4 X 5 X 6 m se calentará mediante un elemento de resistencia colocado en la base de una pared interior. ¿>) 448. salir de la 1 ción en un día de verano. c) 153. El gas se enfría hasta que su temperatura desciende a 350 K. Si se supone que no hay pérdidas de calor desde la habitación y que ía presión atmosférica es de 100 kPa. Respuesta: 1. Si se supone que ventanas'están cerradas herméticamente y sin consideran quier pérdida de calor a través de las paredes y venu termine la temperatura en el cuartjXcuando el esr_^ regresa 10 horas después. Si la temperatura inicial del aire es de 10°C. la habitación está a 100 kPa y 15°C.6 kj/kg 4-52E Determine el cambio de entalpia A/i del oxígeno. Use valores de calor especiii temperatura ambiente y suponga que en la mañana. Determine el trabajo que realiza la rueda de paiea*-* ignore la energía almacenada en la rueda.4 kJ/kg. Respuestas: b) 447. con la esperanza fría cuando regrese en la tarde. Una rueda de paletas dentro ¿e. ' kPa >• 27=C. Suponga que el exponente politrópico varia de 1. Dentro del cilindro de ¡ulrrr hasta que se realiza sobre el mantiene constante la prefinal del aire. por un émbolo y un cilindro a 40 psia y 700°F. Se transfiere más calor hasta que la presión dentro del cilindro se duplica también: Determine el trabajo realizado y la cantidad de transferencia de calor para este proceso. 1 857 kJ que consta de cilindro-émbolo •400 kPa y 25°C. Se deja enfriar hasta que su temperatura dismie tos calores específicos a la temperat cantidad de pérdida de calor.¿_ :r en función del exponente politrópico. se transfiere calor al aire hasta que se duplica su volumen. El nitró: manera lenta en un proceso politrópico ta que el volumen se reeste proceso el trabajo reali. Determine la capacidad nominal del calentador. Durante un proceso de expansión isotérmico en cuasiequilibrio. Determine la cantidad de trabajo de frontera hecho durante este proceso. a 6 500 kJ/h. El calor se transfiere al aire en la cantidad de 40 Btu cuando éste se expande isotérmicamente. la temperatura del aire en la habitación permanece constante aun cuando el calentador opera en forma continua. contiene al inicio 3 kg de aire a 200 kPa y 27°C. HABITACIÓN FIGURA P4-69 4 -TOE Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 3 pies3 de aire a 60 psia y 150°F. También. 4-71 Un mecanismo que consta de cilindro-émbolo contiene 4 kg de argón a 250 kPa y 35°C. en kW. bolas de bronce de 5 cm de diámetro (p = 8 522 kg/m3 y c = 0. También muestre el proceso en un diagrama P-v. 217 rencia de calor.385 kJ/kg • :C . LJ AIRE F = constante BBURA P4-65 conformado por un cilindro-ém03 m? de dióxido de carbono a un interruptor eléctrico y una durante 10 minutos electricidad a ubicado dentro del cilindro. 2 674 kJ 4-73 /TK Un dispositivo de cilindro-émbolo.Capítulo 4 . .67 \ emplee el software m&' pan granear sobre un diagrama P. punto en que el volumen es el doble del volumen inicial. La masa del 1500 kPa de presión para elevar1 helio antes que el émboa. 4-72 Un dispositivo de cilindro-émbolo.: -embolo cuyo émbolo desunto Je topes contiene al 100 kPa y 25°C. Je cúindro-émbolo se calienta una 15 hasta 77°C mediante el paso de resistencia que se halla en el cilindro se mantiene proceso y ocurre una pérdida energía eléctrica suministrada. contiene inicialmente 3 kg de aire a 200 kPa y 27°C. muestre el proceso en un diagrama P-v. La masa del émbolo es tal que se requiere una presión de 400 kPa para moverlo. Determine el trabajo que lleva a cabo el aire y el calor total transferido al aire durante este proceso. Respuestas: 516 kJ.1 a 1. Ignore la energía paletas. cuyo émbolo descansa sobre un conjunto de topes. Cuando las pérdidas de calor de la habitación en un día de invierno equivaler. el sistema realiza 15 kJ de trabajo de frontera y una rueda de paletas lleva a cabo 3 kJ de trabajo sobre el sistema. Determine la transferencia de calor para este proceso. Se transfiere calor al aire y el émbolo se mueve hasta chocar con los topes.\J : i\ esligue el efecto del exñe d trabajo de frontera y la transfe- Análisis de energía de sistemas cerrados: sólidos y líquidos 4-74 En una instalación de manufactura. La durante el proceso mientras se la electricidad que pasa por el consta de cilindro-émbolo contiene . con un conKta/ junto de topes en la parte superior.6 y trace el trabajo de frontera y la transferencia de . Analice los resulta 4-69 Una habitación se calienta mediante un calentador de resistencia colocado en la base de una pared. Entonces. cimdro-émbolo contiene 0. Determine la comente suministrada si la temperatura final es 70°C. Compare el resultado con el resultado obtenido mediante los cálculos manuales. también muestre el proceso en un diagrama T-v con respecto a las líneas de saturación. ñnal del aire y elevación final cinética y potencial son iguafc. comienza a moverse cuando la presión interna alcanza 300 kPa. En este es:oca al émbolo pero no ejerce K calienta hasta un estado final de 0.5 m3. 20°C y 0. muestre el proceso en un diagrama P-v. Determine d) las temperaturas inicial y final. Respuesta: 12. También. C Si durante este proceso se 9 de compresión.9 m : r consta de cilindro-éma 200 kPa y 0.5 ras.2 kg de refrigerante saturado 134a a 200 kPa. y •* J FIGURA P4-118 H.2 kJ RGURAP4-115 . determine la constooc. Determine el trabajo realizado cuando el volumen del globo se duplica como resultado de la transferencia de calor. 2 kg de agua están en la fase --•:•: Se transfiere calor al agua. 731.O 4-119 En un dispositivo de cilindro-émbolo está una masa de 0. mientras una fuente de 110 V suministra corriente a un resistor dentro del cilindro durante 6 min. determine el trabajo hecho. Respuesta: 715 Btu 4-117E IT^J Retome el problema 4-116E y a través de la •Üi característica de integración del software EES.5 * d trabajo total que realiza el aire y :.Capítulo 4 .8 A HSURAP4-114 W R-134a P = constante ! ie una mezcla saturada de líquido un dispositivo de cilindro[ 32100. Se transfieren 300 kJ de calor al refrigerante a presión constante. determine los caloj volumen constantes del gas si su 667.2 m3. 4-120 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene inicialmente gas helio a 150 kPa. 4-118 En un dispositivo de cilindro-émbolo está una masa de 12 kg de vapor saturado de refrigerante 134a a 240 kPa. 4-116E Un globo esférico contiene 10 Ibm de aire a 30 psia y 800 R. aire cambia de O a 10°C mientras k> hacen de cero a otras finales. Determine la pérdida o ganancia de calor durante este proceso. Asimismo. que descansa sobre un conjunto de topes.'. muestre el proce=fSfuestas: a) 150 kJ. b) el trabajo realizado y c) la transferencia de calor total. También. Al inicio 75 por ciento de la masa está en la fase líquida. Muestre el proceso en un diagrama P-v con respecto a las líneas de saturación y determine a) el volumen que ocupa al inicio el refrigerante. La transferencia de calor continúa hasta que el volumen total se incrementa en 20 por ciento. El helio se comprime ahora en un proceso politrópico (/V = constante! hasta 400 kPa y 140°C. b) la masa de agua líquida cuando el émbolo se empieza a mover y c) el trabajo realizado durante este proceso. Respuesta: pérdida de 1. Se transfiere calor a esta sustancia a presión constante hasta que el cilindro contiene sólo vapor. b) 90 kJ 211 el émbolo. El material del globo es tal que la presión interna es siempre proporcional al cuadrado del diámetro de este último.8 kg de •• a presión constante hasta que su : . Se desea elevar las temperaturas de ambos sistemas en 15°C. -j derar la energía térmica almacenada en la cámara i -sa ni la energía suministrada por el mezclador.77 h. <•• por refrescarse. respectivamente. determine la cantidad necesaria * llevar a cabo este enfriamiento. Si la :¿—rrr^ del agua sube 3.6 kJ/kg • °C.cula el error en que se incurre al ignorar la energía iszmm macenada en la cámara de reacción? Respuesta 21 FIGURA P4-126 4-127 Un hombre de 68 kg cuya temperanra samf medio es de 39°C bebe 1 L de agua fría a 3:C.:^ : aire y el agua a temperatura ambiente. determine "^ ~sm ratura mínima del agua cuando se lleva primero hacia a h tación. el cual se mantiene a presión constante. pero debe mantenerse a 22°C durante 10 h en una noche de invierno. Determine la cantidad de calor extra que para lograr este resultado se debe suministrar al gas. ¿En . Se tiene como respaldo un calentador de resistencia eléctrica de 15 kW controlado por un termostato y que se enciende siempre que es necesario para mantener la casa a 22°C. Si el agua caliente satisfará los requerirme::: :e .2°C cuando se establece el equiübcx. Determine cuánto hirió-1 ces\Xa agregar a\ agua si aqué\ está & «i' También. b) 9. Suponiendo calores e^T•: fieos constantes para el aire y el agua a temperatura amtsa determine la temperatura de equilibrio final en la habiooi Respuesta: 78.26 h 4-125 Una habitación de 4 X 5 X 6 m se calentará pori dio de una tonelada (1 000 kg) de agua líquida cor:. .5 del cuerpo humano es de 3.-: 3 gramos de aire en una cámara de reacción. presión y volumen. lefacción de esta habitación durante 24 h. inicialmente está a 22°C y 100 kPa. Tin un vaso de 0. Si se asume que el calor esre.r.Z12 Análisis de energía de sistemas cerrados 4-124 Una tonelada de agua líquida (1 000 kg) a 80:C . Determine cuánto tiempo tarda este calentador en elevar la temperatura del agua a 80°C. El calor de la casa lo proveerán 50 recipientes de vidrio cada uno con 20 L de agua. 4-122 Una casa solar pasiva pierde calor hacia el exterior a una tasa promedio de 50 000 kJ/h. _-j.6°C Q FIGURA P4-120 4-121 Un dispositivo de cilindro-émbolo sin fricción y un recipiente rígido contienen cada uno al inicio 12 kg de un gas ideal a la misma temperatura. Suponga tasas de calores específicos const¿r. _ r cia el exterior a una tasa promedio de 8 000 kJ/h. a) ¿Cuánto tiempo funcionó el sistema de calefacción eléctrica esa noche? b) ¿Cuánto tiempo funcionaría el calentador eléctrico esa noche si la casa no tuviera incorporado el calentamiento solar? Respuestas: a) 4.. 4-126 Con una bomba calorimétrica que contiene ? agua se determinará el contenido de energía de cieno mam to.2 "L se tiene rá con hielo a 5°C. FIGURA P4-122 4-123 Un elemento de calefacción de resistencia eléctrica de 1 800 W se sumerge en 40 kg de agua que se halla inicialmente a 20°C. Suponga que la masa molar del gas es 25.. se lleva a un espacio a sellado y aislado de 4 X 5 X 6 m. y se mantiene todo el tiempo a una temperatura procM de 20°C. la cual se calienta a 80°C a lo largo del día mediante la absorción de energía solar. La tena* tura y la presión iniciales en la habitación son 1' kPa.7 kJ/kg. un recipiente colocado en la habitación. quemando una muestra de 2 gramos en presen. y p: sidad del agua es 1 kg/L. mine el contenido de energía del alimento en kJ V. detemáiri so en la temperatura corporal promedio de caá fmt la influencia de esta agua fría.. Rwnha. . La calor de fusión del hielo a presión 333. Ésta pierde . Respuestas: 3.Capítulo 4 el problema 4-128 y con el software > | u otro) investigue el efecto de la temperane. Analice los resultados.r>:'.4 m3 de aire a 400 kPa y 30°C está conectado por medio de una válvula a un dispositivo de cilindro-émbolo con espacio libre cero. » un elemento de calefací agua a nivel del mar.o sobre la masa final requerida.•. Se abre la válvula y finalmente ambos recipientes llegan al mismo estado. Suponga que la temperatura ambiente varía de O a 50°C y grafique los resultados finales en función de la temperatura ambiente. •«quinas de vapor eran propulsadas ••osférica que actuaba sobre el émbolo 'leño de vapor saturado. . • .. .uniente. el B contiene 0. Analice los resulta002 vacía 80 kg de hielo a -5°C dentro de .. Después se agrega • de hielo a 0°C. '<. La temperatura MT ée rasión del hielo a presión atmosférica .2 m3 de agua a 400 kPa y posee una calidad de 80 por ciento. Determine la presión y la cantidad de transferencia de calor cuando el sistema alcanza el equilibrio térmico con los alrededores a 25 °C. 1 atm FIGURA P4-133 4-134 Dos recipientes rígidos están conectados mediante una válvula: el recipiente A contiene 0.4°C ~~-: aislado que consta de cilindro-émbolo de una mezcla saturada de líqui.ermine la temperatura de equiliLa temperatura de fusión y el calor esión atmostenca son 0°C y 333.2 a 120°C. La masa del émbolo es tal que se requiere una presión de 200 kPa para elevarlo.. Se abre un poco la válvula y se permite que el aire fluya hacia el cilindro hasta que la presión en el recipiente disminuye hasta 200 kPa. y cuánto tiempo tarda este calentador en elevar la temperatura de 1 L de agua fría desde 18°C hasta la temperatura de ebullición. Si el cilindro contiene líT cuando se establece el equilibrio tér: meló añadido. . 2 170 kJ FIGURA P4-134 4-135 ScJ Reconsidere el problema 4-134 y con el uso del Bgü software EES (u otro) investigue el efecto que tiene la temperatura ambiente sobre la presión final y la transferencia de calor.-nvtiene 1 ton de agua a 20°C. La "i llena.5 m3 de agua a 200 kPa y 250°C. Se d cilindro por fuera con agua fría y. lleno inicialíñente con a la presión atmosférica de agua fría en el exterior del cilindro comienza a condensarse como rede calor hacia el agua externa usael émbolo está bloqueado en su posiféerza de fricción que actúa sobre ie calor cuando la tempera. Durante este proceso. Una vez que ¿ue la mitad del agua se : la potencia nominal del 4-136 Un recipiente rígido que contiene 0.. . vapor. su temperatura inicial. ?0°C. se intercambia calor con los alrededores de manera que el aire perma- . con . Respuesta: 12.. 213 elemento de calefacción eléctrico sumergido en el agua.. de cilindro-émbolo con un área •ir.7 •Crie. Suponga del hielo varía de —20 a 0°C y grafique su i.17 kPa. . Se enciende una resistencia eléctrica colocada en el recipiente y se observa que después de 20 minutos éfs contiene vapor saturado. Determine a) el volumen del reo piente.• . Determine a) la presión fini. Suponga que la masa del émbolo varía de 1 a 10 »_£ * grafique la temperatura final en función de la masa del émr>:lo. sobrecalentado en 5°C.15 kg de vapor a 3. además.5 MPa. b) b j presión final en el cilindro y c) la distancia que recorre el émbolo. ¿Cuál sería su respuesta si el émbolo no tuviera libermovimiento? 4-142 Un dispositivo de cilindro-émbolo de 12 cm de diámetro en posición vertical contiene un gas ideal en . determine la temperatura promedio del aire jués de 30 minutos. c) 1.L:c« final.a 500 kPa y 80°C. de agua líquida saturada y vapor de agua a 200°C. después u^i flecha externa conectada al émbolo ejerce una fuerza que c > rresponde a la entrada de trabajo de frontera de 0.4kg. FIGURA P4-138 FIGURA P4-136 4-139 Repita el problema 4-138 suponiendo que el éraoi está hecho de 5 kg de cobre y que se halla inicialmer temperatura promedio de los dos gases en ambos lado^ Respuesta.1 kJ. 4-143 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene al inic:. el agua líquida ocupa 25% del volumen y el resto k ocupa el vapor. Respuestas: a) 0. mientras el otro contiene 1 m3 de le a 500 kPa y 25°C. Al principio. b) 371°C. L» temperatura del gas permanece constante durante este proceso. un lado del émbolo contiene 1 m3 de . Por medio de calores específicos a temperatura nte. b) la temperatura final y c) la potencia nominal de ¿.condiciones ambiente de 1 bar y 24°C. Se usa un ventilador de 120 W para ribuir el aire en la habitación y se observa que la presión vapor disminuye hasta 100 kPa después de 30 minutos coresultado de la transferencia de calor hacia la habitación. Se establece el equilibrio térmico cilindro como resultado de la transferencia de calor por ibolo.00648 m3. 200°C FIGURA P4-141 FIGURA P4-137 •! Un cilindro rígido horizontal bien aislado está dividii dos compartimientos mediante un émbolo que tiene lii de movimiento y no permite la fuga de gas hacia el ado. sus dos válvulas están cerradas (la de •ada y la de salida). El radiador tiene volumen de 15 L y se llena con vapor sobrecalentado a 200 L y 200°C. En este a tado. Determine a) la cantidad de transferencia de calor. c) b mi" . b) el trabajo de frontera.M Análisis de energía de sistemas cerrados :ce todo el tiempo a 30°C. :<r s nü§ software EES (u otro) investigue el efect': masa del émbolo de cobre sobre la temperatura de equ. El vapor pierde calor hacia los alrededores y el émbolo baja y choc* con un conjunto de topes. 4-141 Un recipiente rígido aislado contiene al inicio 1 . Al principio.56°C 4-140 ftgM Retome nuevamente el problema 4-139 y . determine la temperatura de equilibrio final en el ci. la cara intenu del émbolo está a 20 cm de la base del cilindro. oniendo calores específicos constantes para el aire a temitura ambiente. resistencia. 0. Analice los resultados. Suponga que la presión del aire en la nación permanece constante en 100 kPa. en este punto. Agua 1. el cilindro contiere agua líquida saturada y el enfriamiento continúa hasta que t cilindro contiene agua a 200°C.58 kW 137 Un cuarto bien aislado de 4 X 4 X 5 m que inicialnte está a 10°C se calienta a través del radiador de un sistede calefacción que funciona con vapor. y la calidad (si existe mezcla). Determine la transferencia de car para este proceso. 8 kJ/kg • °C. Al inicio cada com-rr. El calor se transfiere a la bola desde el vapor y la temperatura de ésta sube a 100°C mientras se condensa algo de vapor sobre la bola a medida que pierde calor (pero aún permanece en 100°C). s. La cantidad de calor extra que se debe suministrar al gas en el cilindro que se mantiene a presión constante es a)OkJ ¿>)42kJ c)83kJ d) 102 kJ e) 166 kJ flak1 xvm y principios del xix ocurrieron deras de vapor que produjeron •B9E&. determine la energía total de la explosión de 20 m3 de aire a 5 MPa y 100°C cuando los alrededores están a 20°C. La energía . respectivamente.¿vre> se puede considerar como la i K BHKk> presurizado. ¿A cuántos kilogramos de TNT equivale esta energía explosiva? La energía explosiva del TNT es de aproximadamente 3 250 kJ/kg.e el mismo gas ideal a presión idéntica ras y masas distintas. I» caal motivó el desarrollo del Código ec-. es el volumen específico del fluido antes de la explosión. 215 de explosión específica eexp se expresa comúnmente por unidad de volumen y se obtiene al dividir la cantidad anterior entre el \J total del recipiente: Vapor 0. P 2 r = . El calor específico de la bola se puede considerar como 1. La masa de vapor que se condensa durante este proceso es a) 80 gramos b) 128 gramos c) 299 gramos d) 351 gramos e) 405 gramos 4-148 Un dispositivo sin fricción de cilindro-émbolo y un recipiente rígido contienen 2 kmol de un gas ideal a la misma temperatura.te rígido aislado se divide en dos comparten volúmenes distintos. :on sus alrededores poco desMB. Entonces la energía refieren al estado del líquido . •Aaio que haría este ñuido si se le ••Ñnr m forma adiabática hasta el estado en i. Como resultado del 9BK s«re A explosión y la posterior estabilidad na je fxptostóa se puede considerar como • • ! • • as fffrf"1 potencial y cinética.Capítulo 4 nsfciencia de calor cuando el émbolo choca ^x>. La re-í energía para sistemas cerrados en = MU . —. Se transfiere calor y la temperatura de ambos sistemas se eleva en 10°C. Se elimina la pared que : repartimientos y los gases se mezclan.TltTt ' la temperatura de la mezcla final. determine la energía explosiva de 20 m3 de vapor a 10 MPa y 500°C.pientes a Presión de 1915. Suspecíficos constantes y obtenga la expresión temperatura de la mezcla expresada en la También. Demuestre que la energía de explosión específica de un gas ideal con calor específico constante es TJ FIGURA P4-143 r.er. presión y volumen. suponiendo que el vapor se condensa y se vuelve líquido a 25°C después de la explosión.u2). Si se •ÍÉBJD presurizado en un recipiente alcanza --. RGURA P4-144 \ Problemas para el examen de fundamentos de ingeniería (Fl) 4-147 Una habitación está llena de vapor saturado a 100°C y se lleva ahí una bola de boliche de 5 kg a 25°C.15 kg 3.-I •—.• 3. \ .%rk/» \ TÍ Caldera A| de vapor fe p i TI ' ' ' 1 1 FIGURA P4-145 LADO 2 Masa = m2 Temperatura = T2 4-146 Por medio de las relaciones del problema 4-145.5MPa donde v. J> la transferencia de calor total.