EJERCICIOS DE 1ERA LEY DE LA TERMODINAMICA PARA SISTEMAS CERRADOS Y TRABAJO DE FRONTERA

EJERCICIOS DE 1ERA LEY DE LA TERMODINAMICA PARA SISTEMAS CERRADOS Y TRABAJO DE FRONTERA1.- Un tanque A de 21 pie3 contiene 6,62 lbm de agua a 248 F y otro tanque B de 14 pie3 con agua a 100 psi y 392 F. Estos tanques estn conectados a un cilindro-pistn (inicialmente las vlvulas estn cerradas). El pistn tiene una masa de 18 toneladas y un rea de 40 pie2 . Las vlvulas se abren y se transfiere calor al cilindro hasta que llega a un estado uniforme de 482F.

Realice el grafico P-V del proceso, en el cilindro.

Defina el estado cuando empieza y cuando finaliza la transferencia de calor en el cilindro.

Determine la transferencia de calor y el trabajo durante el proceso.

EJERCICIO N 1 Y 12 EJERCICIO N 3

2.- Cierto globo elstico soportara una presin interna igual a Po = 100 KPa hasta que tome forma esfrica con un dimetro de Do=1m, despus de lo cual la presin vara segn.

Por efectos compensatorios de la curvatura del globo y la elasticidad.

Este globo contiene gas helio a 250K y 100 KPa, con un volumen de 0,4m. El globo se calienta hasta que el volumen es de 2 m3 . Durante el proceso la presin mxima dentro del globo es de 350 KPa.

Cul es la temperatura dentro del globo cuando la presin es mxima

Cules son las presiones y la temperatura final del globo

Determine el trabajo y la transferencia de calor para el proceso.

3.- Un cilindro de 91 cm de dimetro est provisto de 2 pistones los cuales estn sobre soportes y conectados por 2 resortes lineales que se encuentran en metano, (0,5 Kg y -170C) cuyas constantes de elasticidad para R1 y R2, son 406 KN/m y 90 KN/m respectivamente. En el estado que se muestra en la figura los resortes estn en su longitud natural. Las masas de los pistones superiores e inferiores son 30000 Kg y 9500 Kg respectivamente. El pistn entra en contacto con el segundo resorte cuando el 1er resorte se ha comprimido 206 mm.

7 Kg de refrigerante 22 se encuentra debajo del pistn inferior a -27C el cual se calienta hasta que llega a una temperatura de 800C.

Sobre el pistn superior hay agua a 27C. Tome la presin atmosfrica y la gravedad como las estndar.

Realizar los diagramas P v del proceso e indique las temperaturas del estado utilizando las lneas de temperatura constante.Determine el trabajo realizado durante el proceso y el calor suministrado durante el proceso.

4.- Un cilindro de 52 cm2 de rea est provisto de 2 pistones los cuales estn sobre soportes y conectados por 2 resortes lineales que se encuentran en agua, (150 KPa y calidad del 87%) cuyas constantes de elasticidad son para el resorte N 1, 75 N/m y la constante de elasticidad del segundo resorte es 0,8 veces la del resorte N1. En el estado que se muestra en la figura los resortes estn en su longitud natural. Las masas de los pistones superiores e inferiores son 112 Kg y 165 Kg respectivamente. El pistn entra en contacto con el segundo resorte cuando el volumen es de 8 litros. 2,3 Kg de amoniaco se encuentra debajo del pistn inferior a -35C la cual se calienta hasta que el pistn inferior choca con los topes superiores. Tome la presin atmosfrica igual a 91 KPa y la gravedad 9,18 m/s2. h1 = 133 cm y h2 = 150 cmRealizar los diagramas P v del proceso e indique las temperaturas del estado utilizando las lneas de temperatura constante.

Determine la transferencia de energa en forma de calor durante el proceso.

EJERCICIO N 4 EJERCICIO N 9

5.- Un recipiente esfrico, hueco de aluminio tiene un dimetro interior de 0,5 m y una pared de 1 cm de espesor, contiene agua saturada a 25C y 1% de calidad. El recipiente se calienta hasta que el agua contenida se convierte en vapor saturado. Calcule la transferencia de calor.

6.- Por los aos de 1915 ocurrieron explosiones catastrficas de calderas de vapor, lo que motivo el desarrollo del cdigo ASME para calderas y recipientes de presin. Si se considera que un fluido presurizado en un recipiente alcanza en algn momento el equilibrio con sus alrededores poco despus de la explosin, el trabajo que hara este fluido si se le permitiera expandirse en forma adiabtica hasta el estado en que se hallan los alrededores se puede considerar como la energa explosiva del lquido presurizado. Como resultado del muy corto periodo entre la explosin y la posterior estabilidad aparente, el proceso de explosin se puede considerar como adiabtico sin cambios de energa potencial y cintica. La relacin de conservacin de energa para sistemas cerrados en este caso se reduce a: Entonces la energa explosiva Eexplosiva = m (u1 u2) y la energa de explosin especfica:

Demuestre que la energa de explosin especfica de un gas ideal con calor especfico constante es Tambin determine la energa total de la explosin de 27 m3 de aire a 5.7 MPa y 150C cuando los alrededores estn a 20C.

7.- Un recipiente Dewar tiene una mezcla de nitrgeno, donde el volumen del lquido es 1/8 el volumen del vapor a 76K. El recipiente se tapa accidentalmente y se transmite calor al nitrgeno a travs del espacio vaco, la presin aumentar. Se sabe que el interior del recipiente se romper cuando la presin alcance 420 KPa. Cunto tiempo tardar en alcanzar esta presin si el calor que entra al recipiente dewar es de 5 W?

8.- Un globo contiene 48 m3 de aire a 620C y 457 KPa. Mediante una transferencia de calor al medio ambiente la presin disminuye hasta 280KPa. La elasticidad del globo es tal que la presin en su interior varia segn la funcin P = a + + b V 0,8, sabiendo que a = -183 y b es una constante.

Calcular el trabajo y la transferencia de calor durante el proceso.

9.- Un cilindro compuesto por 2 pistones (reas de los pistones 116 plg2 y 155 plg2), los cuales estn conectados por 2 resortes lineales. En el estado inicial (ver la figura) los resortes tienen su longitud natural y poseen una constante de elasticidad de K1 = 630,8 Lbf/plg y K2 = 2980,5 Lbf/plg. La masa de los pistones inferior y superior son 812 Lbm y 200 Lbm respectivamente. Sobre el pistn superior hay agua a 75F. El pistn inferior entra en contacto con el segundo resorte cuando el volumen es de 0,225 pie3. Una masa de 0,005 Lbm de agua se encuentra bajo el pistn inferior se le agrega calor hasta 500F.

Tome la presin atmosfrica y la gravedad como la estndar.

Realice el grafico P- V del proceso. Y determine el trabajo y la transferencia de calor durante el proceso.

10.- Una caldera de 0,726 mt3 se llena de nitrgeno a 1500 KPa y -123C. Se coloca en un cuarto del caldera de 5 mts3, el cual est aislado y vacio.

Debido a una falla en la caldera el nitrgeno llena el cuarto. Determine la presin y temperatura final del nitrgeno.11.- Un conjunto formado por un cilindro-pistn (rea 113 plg2 ) y dos resortes lineales, dentro de los resortes hay 0,029785 slum de agua a 23 psi. (el estado que muestra la figura, los resortes estn en su longitud natural), donde la constante de elasticidad del 1 resorte es 17,3 lbf/plg. El cilindro se conecta a una lnea que contiene argn, se abre la vlvula dejando entrar el argn al cilindro, provocando una compresin del agua.

El pistn entra en contacto con el 2 resorte cuando el volumen del agua es de 8,6247 pie3, la constante de elasticidad del 2 resorte es de 386,3 lbf/plg. El proceso continua hasta que el 2 resorte se ha comprimido 131,61 plg.

Determine la transferencia de calor durante el proceso en el agua.

Realice el diagrama P-V del proceso.

Determine el trabajo que realiza el argn, el 1er resorte y el 2do resorte durante el proceso. 12.- Considere un sistema compuesto de 2 tanques y un cilindro conectadas por 2 vlvulas que inicialmente estn cerradas, con refrigerante 22 y siguientes caractersticas: El tanque A de 3,5 pie3 , calidad del 100% y entropa de 148 (Lbf*pie)/(Lbm* R). El tanque B de 6 pie3 , energa interna 92602 (Lbf*pie)/ Lbm y entropa 1,1 (psi*pie3 )/ (Lbm* R). Se abren las vlvulas y el refrigerante fluye al cilindro que tiene 36 pie2 y la masa del pistn es de 195 toneladas cortas, hasta que la presin es uniforma y la temperatura es la del ambiente a 86F. Calcule la transferencia de calor durante el proceso.13.- Un cilindro de 24 cm de dimetro, posee 2 pistones. Cada lado contiene 0,97 Kg de amoniaco y 1,5 Kg de refrigerante 134, cada uno a 26C.

Los lados estn aislados y se agrega calor por el fondo del cilindro. El pistn que separa A y B conduce calor hasta que el refrigerante 134a llega a vapor saturado. Ignorando la energa potencial de A y B. Determine los volmenes finales. El calor que se transfiere al refrigerante y el trabajo que realiza el amoniaco.

14.- Una esfera hecha de un material elstico se comporta de modo que la presin en su interior varia segn la ecuacin P = V2 e 4V + 846 V + C, donde C es una constante. En el estado inicial contiene 2,5 Kg de amoniaco a 0 y el volumen del lquido es 1/98 del volumen del vapor. La esfera se calienta a travs de un motor trmico hasta que alcanza una presin de 1200 KPa. Determine: El trabajo de salida del motor trmico, sabiendo que el rendimiento trmico del motor trmico real es el 67% del de un motor trmico internamente reversible. Y la temperatura de la fuente es de 2200C. Determinar si el proceso es reversible, irreversible o imposible, si la esfera se encuentra dentro de un tanque que esta a una temperatura de 81C.15.- Pollos con una masa de 2,125 Kg y calores especficos promedios de 3,51 KJ/Kg C sern enfriados a 0,3C con agua helada que entra a una enfriadora de inmersin de flujo continuo y sale a 2,7C. Los pollos se dejan caer en la enfriadora a una temperatura estable de 15C a razn de 263 pollos por hora y se enfran a una temperatura media de 3,2C antes de sacarlos. La enfriadora gana calor de los alrededores a 25C a una tasa de 142 KJ/h. Determine: a) La tasa de remocin de calor de los pollos. b) La tasa de generacin de entropa durante este proceso de enfriamiento.

16.- Se recomienda dejar enfriar a temperatura ambiente los alimentos calientes antes de introducirlos al refrigerador, con la finalidad de contribuir al ahorro energtico y por consiguiente ahorrar dinero. A pesar de estas recomendaciones, una persona insiste en cocinar y colocar los alimentos en el refrigerador sin dejarlos enfriar previamente, con la idea que el ahorro que se produce no es significativo. Sin embargo, la persona cambiara de opinin si comprueba que el ahorro y la energa ahorrada es una cantidad importante. La olla de aluminio donde cocina pesa 5 N y cocina 3 veces a la semana 6,7 Kg de pollo y 3 veces a la semana carne de res. La temperatura promedio de la cocina es 22C y la comida luego que se cocina esta a 93C. El espacio refrigerado se debe mantener a 3C. Sabiendo que el coeficiente operacional del refrigerador es de 1,5 y el costo de la electricidad es 9,6373 Bs por KWh. Determine cuanta energa se ahorra por ao y cuanto dinero representa este ahorro.17.- Un cilindro compuesto por 2 pistones (reas de los pistones 10 plg2 y 15 plg2), los cuales estn conectados por un resorte lineal. En el estado inicial (ver la figura) el resorte tienen su longitud natural y poseen una constante de elasticidad de K1 = 12 Lbf/plg. La masa de los pistones inferior y superior son 630 Lbm y 150 Lbm respectivamente. Una masa de 0,238 Lbm de refrigerante 134a se encuentra bajo el pistn inferior a 31,3 F al cual se le agrega calor hasta que choca con los topes superiores.

Tome la presin atmosfrica y la gravedad como la estndar.

Realice el grafico P- V del proceso, determine cada estado durante el proceso y el calor durante el proceso.

Ejercicio N 17Ejercicio N 20

18.- Considere una plancha de 1500 W, cuya placa base esta hecha de aluminio 2024-T6 (densidad 2770 kg/m3 y coeficiente de expansin trmica 875 J/Kg C) 0,65 cm de espesor. La placa tiene un rea de 0,048 m2 . Al inicio la plancha esta en equilibrio trmico. Si se supone que el 88% del calor generado en la resistencia se transfiere, determine el tiempo mnimo requerido para que la temperatura de la plancha alcance 140C.

19.- Una cafetera equipada con un elemento de calefaccin elctrico para inmersin hierve agua en el Edo. Mrida (P atm = 13 psi). La cafetera tiene una capacidad de 12 tazas grandes cuando esta llena. Una vez comienza la ebullicin, se observa que la mitad del agua se evapora en 21 minutos. Determine la potencia nominal del elemento de calefaccin elctrico sumergido en el agua, y cuanto tiempo tarda este calentador en elevar la temperatura del agua fra a 50 F hasta la temperatura de ebullicin.

20.- Un tanque A de 100 lts que contiene refrigerante R-134a a 0 C y una masa de 6 Kg, esta conectado por el fondo con un cilindro de 105 cm de dimetro, este posee dos pistones, el inferior reposando en el fondo (masa 15000 Kg)y el superior sobre soportes (masa 5000 Kg) y un resorte lineal adherido al pistn superior, constante de elasticidad del resorte 200 KN/m. La vlvula entre el tanque y el cilindro esta cerrada. Entre los dos pistones hay vaco y sobre el pistn superior hay agua a temperatura de 30 C. Considere la presin atmosfrica y la gravedad como la estndar. La masa del resorte es despreciable.

Inicialmente se abre la vlvula lentamente y el refrigerante fluye lentamente al cilindro, durante el proceso se intercambia calor con el entorno de manera que el refrigerante siempre permanece a temperatura constante. Al igualarse las presiones y estabilizarse el sistema, se sigue transfiriendo calor al refrigerante a fin de que levante el pistn inferior hasta una altura donde el resorte se comprima 50%. Se pide lo siguiente:

a) Realizar el diagrama P-V del proceso, indique las temperaturas y fase de cada estado considerado. B) Calcule el trabajo total y del resorte. C) Calcule la transferencia de calor total. D) Indique si se eleva el pistn superior y justifique.

Ejercicio N 13

Ejercicio N 11

R-134a

Tanque A

50 cm

Vacio

40 cm

130 cm

H2O

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