URL - INGENIERÍA MECANICA INDUSTRIAL

Termodinámica I

PROBLEMAS BASICOS: Propiedades de Sustancias puras y gases

Catedrático: Mario Santizo

Primer Ciclo 2004

 

 

INSTRUCCIONES: Resuelva los problemas explicándolos detalladamente: Si es necesario, interpole (desarrollando la interpolación). Todos los problemas deben ser resueltos correctamente y con exactitud de un decimal. Cualquier valor debe especificarse de que tabla se obtuvo. utilizando Cengel & Boles. Ed. 4

 

 

1. 1.  Complete las siguientes tablas de propiedades del agua.

 

 

 

 

 

1.2.      Un depósito cerrado contiene 0.5 m³ de vapor de agua saturado a una presión manométrica de 899 kPa. ¿Cual es su temperatura? ¿Que masa de vapor hay en el depósito? Considere que, en el momento de la  medida, la presión atmosférica era de 101 kPa.

                                                                    Re: 179.9ºC, 2.57kg

 

1.3.          Un kilogramo de agua a una presión de 1,500 kPa y temperatura de 80 °C se transforma en vapor a 340 °C mediante un proceso is6baro. Calcule la variación de entalpía del agua.

Re: 2,790kJ

 

1.4.          Un deposito cerrado y rígido contiene 0.17 m³ de vapor de agua a una presión de 480 kPa y temperatura de 340 °C. Se deja que el depósito disipe calor hacia el entorno hasta que el agua alcanza los 90 °C. ¿Que masa de vapor hay finalmente en el deposito? ¿cual es la presión final? ¿A que temperatura comenzara el proceso de cambio de fase?

                                                                          Re: 0.07kg, 70.14kPa, 135°C

 

1.5.       Un depósito contiene 50 kg de Helio a 900 kPa y 50 °C. Determine la masa de Helio que se habrá fugado si, al alcanzarse el equilibrio térmico con el ambiente exterior a 25 °C, el sistema se encuentra a una presión de 400 kPa.

Re: 25.9kg

 

1.6.   Un depósito rígido contiene 10 kg de metano a 1,500 kPa y 30 °C. Calcule el volumen del depósito; Si la temperatura disminuye hasta 0 °C. ¿Cual seria la nueva presión?  

Re: 1.05m³, 1,350kPa

 

1.7.      Un gas desconocido tiene una masa de 1.5 kg y ocupa 2 m³ a una temperatura de 30 °C y una presión de 200 kPa.  Determine la constante de gas ideal del gas.

Re: 880J/kg.ºK

 

1.8.      Un deposito rígido de 0.5 m³ contiene inicialmente mezcla saturada a 100 °C. Calentándose el agua, se alcanza un estado final cuyas condiciones son las del punto crítico. Determine la masa de agua que inicialmente se encontraba en estado líquido.

Re: 158.28kg

 

1.9.      Un depósito rígido de 1 m³ contiene aire a 25 °C y 500 kPa y esta conectado con una válvula a otro deposito con 5 kg de aire a 35 °C y 200 kPa. Se abre la válvula y cuando se alcanza el equilibrio térmico la temperatura es de 20 °C. Calcule el volumen del segundo depósito y la presión de equilibrio.                                   

                      Re: 2.21m³, 284kPa

 

1.10.    Un dispositivo cilindro-embolo contiene 0.1 m³ de agua liquida y 0.9 m³ de vapor de agua en equilibrio a 800 kPa. El sistema se calienta hasta alcanzar una temperatura de 350 °C. Determine la temperatura y masa inicial del agua, y su masa y volumen final. Dibuje el proceso en los diagramas termodinámicos P-v   y   T-v       

 Re: 170.43°C, 93.44kg, 33.1m³

 

1.11.    Calcule la masa de aire contenida en el aula donde se imparte la clase. Suponga una temperatura de 20 °C y una presión de un bar. Si la temperatura fuese de 0 °C, ¿la masa de aire seria mayor o menor? Calcule la variación.   

Re: Entre 500 y 600kg, Aproximadamente 50kg más

 

1.12.    Un dispositivo cilindro-embolo de disposición vertical y de 20 cm de diámetro interior contiene agua. El pistón tiene una masa de 4 kg y la presión atmosférica es de 101 kPa. Determine la temperatura de ebullición del agua en el cilindro.               

Re: 100.28°C

 

1.13.      Un compresor isotérmico comprime agua desde un estado definido por 400 °C y 100 kPa hasta una presión de 10 MPa. Calcule la variación de entalpía específica del agua en el proceso.

Re: -182kJ/kg

 

1.14.      Una vasija de 0.03 m3 contiene vapor saturado seco a 17 bar. Calcular la masa de gas en la vasija, y la entalpía de esta masa. 

Re: 0.257kg: 718kJ

 

1.15.    Vapor a 7 bar y 250 °C entra a una tubería y fluye a presión constante. Si la corriente elimina calor a los alrededores, a que temperatura se forma la primera gota de agua?  Utilizando la ecuación de energía y despreciando los cambios de velocidad en la corriente, calcular el calor eliminado por kilogramo de vapor fluyendo.            

Re: 165°C; 191 kJ/kg

 

1.16.    0.05 kg de vapor a 15 bar son contenidos en una vasija rígida de 0.0076 m³ de volumen. Cual es la temperatura del vapor. Si la vasija es enfriada, a que temperatura deberá estar el vapor en condiciones de saturación? Se continúa el enfriamiento hasta que la presión en la vasija sea de 11 bar; calcular la fracción final del vapor seco (fracción), y el calor rechazado entre el estado inicial y final.               

Re: 250°C; 191.4°C; 0.857; 18.5kJ

 

1.17     Utilizando las tablas para el amoniaco calcular: a) La entalpía específica y volumen específico del amoniaco a 0.7177 bar y la fracción seca (fracción).  b)  La entalpía especifica y volumen especifico del amonio a 13 °C saturado. c)  La entalpía especifica del amonio a 7.529 bar y 30 °C.    

             Re: l,251kJ/kg; 1.397m³/kg; l,457kJ/kg; 0.1866m³/kg; l,496.5kJ/kg

 

1.18.      Calcular la energía interna y entalpía de 1 kg de aire ocupando 0,05 m³ a 20bar. Si la energía interna se incrementa por 120 kJ como aire comprimido a 50 bar, calcular el nuevo volumen ocupado por 1 kg de aire.

Re: 250.1 kJ/kg; 350.1 kJ/kg; 0.0296 m³

 

1.19.      O₂ a 200 bar es almacenado en una vasija de acero a 20 ºC. La capacidad de la vasija es 0.04 m³. Asumiendo que el O₂ es un gas perfecto, calcular la masa de oxigeno que debe ser almacenada en la vasija.

Re: 10.5 kg; 78.6ºC

 

1.20.    En un compresor de aire la presión de entrada y de salida son 1 bar y 5 bar respectivamente. La temperatura del aire a la entrada es 15 °C y el volumen al inicio de la compresión es 3 veces mayor que la compresión final. Calcular la temperatura del aire a la salida y el incremento de energía interna del aire.                     

          Re: 207°C; 138 kJ/kg

 

1.21.    Complete las siguientes tablas de propiedades del agua.

 

 

 

1.22.    Un manómetro esta conectado a un dispositivo de gas en el que la presión es mayor que la del entorno. El liquido del manómetro es mercurio, con una densidad de 13.59 g/cm³ La diferencia entre los niveles de mercurio en el manómetro es de 2 cm. La aceleración de la gravedad es de 9.81 m/s². La presión atmosférica es 93.0 kPa. Calcule la presión manométrica y absoluta del gas.                                                           

Re:2.67kPa,95.67kPa

 

1.23     Determine la fase o fases en un sistema constituido por H₂O en las condiciones siguientes y localice los estados sobre diagramas P-v y T-v adecuadamente caracterizados.

a)  P = 500 kPa, T = 200°C

b)  P = 5 MPa, T = 264°C

c)  T = 175.38 °C, P = 0.9 MPa

d)  P = 20 MPa, T = 100 °C

e)  T= -10°C, P = l kPa

    Re: Vapor sobrecalentado, mezcla, mezcla, liquido subenfriado, sólido

.

1.24.    Determine el titulo de las mezclas bifásicas liquido-vapor siguientes:

a)  H₂O a 200 °C con un volumen especifico de 0.1 m³/kg

b)  Refrigerante R-12a 2 bar con un volumen especifico de 0.07 m³/kg

Re: 78.3%, 83.7%

 

1.25.      Una mezcla bifásica liquido-vapor de H₂O tiene una temperatura de 300 °C y un titulo del 75%. La mezcla ocupa un volumen de 0.05 m³.  Determine las masas de liquido y vapor saturado presentes. 

Re: 0.753kg, 2.259 kg

 

1.26.    Determine el factor de compresibilidad para el vapor de agua a 6 MPa y 600 K, utilizando:

a)  Grafica de compresibilidad

b)  Tablas de vapor                                                                  

Re: 0.87, 0.857

 

1.27.    Una masa de nitrógeno (N₂), ocupa un volumen de 90 litros a 27 MPa y 200 K. Determine la masa.

            Re: 39.36 kg

 

1.28.      Un deposito rígido contiene 0.5 kg de oxigeno (O₂) inicialmente a 40 bar y 180 K. El gas es enfriado, descendiendo la presión a 33 bar. Determine el volumen del depósito en m³, y la temperatura final, en ºK. 

Re: 4.85xl0³ m³, 160.6ºK

 

1.29.    Determine para el aire, el rango de presiones, en kPa, para el que el valor del factor de compresibilidad Z, permanece en el intervalo 0.95 a 1.05 para las temperaturas siguientes: a) 270 K b) 330 K c) 400 K

 

1.30.    Un tanque que tiene un volumen de 0.05 m³  contiene aire a 25 kPa manométrico y 25 °C. La presión barométrica es de 90 kPa, y la aceleración local de la gravedad es de 9.75 m/s2 Calcule el peso del aire en el tanque.                                                          

Re: 0.646 N

 

1.31.    Determine el volumen que se necesita para almacenar 50 lbm de aire a 250 psia y 70 ºF. Si la  temperatura se eleva a 175 F, ¿Cual será la presión en el tanque de almacenaje?

Re: 300 psi

 

1.32.        Utilizando los valores de las propiedades para el refrigerante HFA-134a, calcular: a) La entalpía especifica (kJ/kg) y el volumen especifico (m3/kg) del HFA-134a  a -8°C y fracción seca 0.85. b)  La entalpía especifica (kJ/kg) del HFA-134a a 5.7024 bar y 35°C.

Re: 259.96 kJ/kg; 0.0775 m³/kg; 323.25 kJ/kg

 

1.33.   La masa molecular relativa del CO₂ es 44. En un experimento se encontró que el valor de Cp/Cy era 1.3. Asumiendo que el CO₂ es un gas perfecto, calcular la constante especifica del gas, R, y las capacidades caloríficas a presión y volumen constante, Cp, y Cy. 

     Re: 0.189 kJ/kg ºK; 0.819 kJ/kg ºK: 0.63 kJ/kg ºK

 

1.34.    Cuando cierto gas perfecto es calentado a presión constante de 15°C a 95°C, el calor requerido es 1,136 kJ/kg. Cuando el mismo gas es calentado a volumen constante en el mismo rango de temperatura, el calor requerido es 808 kJ/kg. Calcular Cp, Cv, Cp/Cv, R y la masa molar del gas.           

Re:  14.2 kJ/kg ºK; 10.1 kJ/kg ºK; 1.405 kJ/kg ºK; 4.1 kJ/kg ºK; 2.028 kg/kmol

 

1.35.    Una cantidad de cierto gas ideal es comprimido desde un estado inicial de 0.085 s I bar a un estado final de 0.034 m³, 3.9 bar. La capacidad calorífica a volumen constante es 0.724 kJ/kg ºK, y la capacidad calorífica a presión constante es 1.020 kJ/kg ºK. La diferencia de temperatura observada es 146 ºK. Calcular la constante especifica del gas, R (kJ/kg ºK), la masa del gas presente (kg) y el incremento de energía interna del gas (kJ).

            Re: 0.296 kJ/kg ºK; 0.11 kg; 11.63 kJ

 

1.36.    El gas que se encuentra en un cilindro-pistón sufre un proceso cuasiequilibrio que sigue la relación (V - 0.2)10⁵ = (p - 100)². Inicialmente, el gas esta a 200 kPa y tiene un volumen de 0.30 m³. La presión final es de 400 kPa. Determinar el trabajo (kJ).

    Re: 253 kJ

 

1.37.    Se comprime dióxido de carbono en un cilindro, en un proceso en equilibrio desde las condiciones iniciales p_i = 100 kPa, V_i = 0.0040 m³ hasta la presión final de 500 kPa. Durante el proceso PV^1.22 = constante. Calcular el trabajo (kJ).                     

    Re: -0.612kJ

 

1.38.    Una masa unitaria de un fluido a presión de 3 bar, y un volumen especifico de 0.18 m³/kg, contenido en un cilindro se inicia la expansión del pistón reversiblemente a una presión de 0.6 bar de acuerdo a la siguiente ley: P = C/V², donde C es una constante. Calcular el trabajo realizado durante el proceso (N m/kg).           

        Re: + 29,840 N m/kg

 

1.39.    Aire a 200 kPa y 30°C esta contenido en un pistón-cilindro con un volumen inicial de 0.1 m³. La presión interior equilibra a la presión atmosférica de 100 kPa y a una fuerza externa impuesta que es proporcional a V^0.5. Se transfiere calor al sistema hasta una temperatura final de 200°C. Encuentre la presión final (kPa) y el trabajo que se realiza en el proceso.

Re: 219 kPa: 8.89 kJ

 

1.40.      Un cilindro que contiene 1 kg de amoniaco tiene un pistón con una carga externa. Inicialmente el amoniaco se encuentra a 2 MPa y 180°C. Se enfría a vapor saturado a 40°C y se enfría aun más hasta 20°C, punto en el cual la calidad es de 50%. Encuentre el trabajo total para el proceso, suponiendo que la variación de P respecto a V es lineal (kJ). Aplicar sumatoria de trabajo. 

      Re: -49.4 kJ

 

1.41.    Determínese: a) el volumen especifico del nitr6geno gaseoso, en m³/kg, a 27 °C y presiones de 1,10, 50, y 100 bar, y b) el volumen especifico del vapor de agua, en pie³/lbm, a 400 °F y presiones de 14.7, 40, 100 y 200 psia basándose en ambos casos en: 1) el modelo del gas ideal, y 2) las tablas de vapor sobrecalentado. Coméntese los resultados.

Re: 0.8905 m³/kg, 34.84 pie³/lbm

 

1.42.    Calcúlese la entalpía del aire que se calienta, a presión baja, desde 300 ºK hasta 500 K, utilizando: a) una ecuación empírica para la capacidad térmica especifica, b) datos de h de las tablas del aire, y c) datos tabulados de capacidad térmica especifica media, en kJ/kg.

                                                            Re: 202.9 kJ/kg, 202.8kJ/kg, 203.4kJ/kg

 

1.43.    Se calienta vapor de agua de 600 a 700 °F a presiones de 14.7, 100, 250 y 500 psia. Determínese la variación de energía interna, en Btu/lbm, a) si se emplea el modelo del gas ideal, y b) si se usan datos de gas real tabulados.                      

 Re: 37.4Btu/lbm 37.5Btu/lb,

 

1.44.    Un dispositivo cilindro-pistón en posición vertical, con un volumen inicial de 0.1 m³, contiene 0.1 kg de nitrógeno gaseoso. El embolo tiene un peso tal que el nitrógeno biatómico se mantiene siempre a una presión de 1.15 bar. Se permite que haya transferencia de calor hasta que el volumen sea el 75 % de su valor inicial.  Determínese: a) las temperaturas inicial y final del nitr6geno, en kelvin, y b) la magnitud y sentido del calor transferido, en kilojulios, si el proceso se considera cuasi estático.    

               Re: 387 ºK, 290 ºK, -7.21kJ

 

1.45.    Determínese el volumen especifico del vapor de agua en m³/kg a 200 bar y 520 ºC, utilizando a) la ecuación de estado del gas ideal, b) el principio de los estados correspondientes, y c) el valor experimental de la tabla de vapor sobrecalentado.

Re: 0.0183m³/kg.0.0152 m³/kg, 0.01551 m³/kg

 

1.46.      En un depósito rígido se introduce etano gaseoso (C₂H₆) a una presión de 34.2 bar y un volumen especifico de 0.0208 m³/kg. Se calienta hasta que se alcanza una presión de 46.5 bar. Estímese la variación de temperatura en el proceso, en kelvin, haciendo uso del diagrama generalizado de Z. 

                       Re: 80 °C = (406 K - 326 K)

 

1.47.        Se emerge un trozo de 2 kg de cobre, inicialmente a 400 K y 0.1 MPa, en 10 L de agua a 300 ºK y 0.1 MPa. Estímese la temperatura final de equilibrio del gas y el cobre, en kelvin, si el sistema se encuentra aislado.

        Re: 301.8 K

 

 

 

·        Enviar el trabajo por e.mail (Attachment en Word) La redacción de coda problema escrito en Times New Roman 14 puntos, la explicación durante la resolución escrita en Time New Roman 12 puntos. Los datos que se busquen en las tablas o graficas y sus valores presentarlos de la misma manera que el catedrático los presenta en clase y para las ecuaciones a usar y su resolución utilizar el editor de ecuaciones: Tamaño a configurarlo: Normal = 16; Subíndice/superíndice = II; Sub-subíndice/superíndice = 9; Símbolo = 26; Sub-símbolo == 16.  0 sea presentados de la misma forma en que se presentan en clase los casos.