Guia de Ejercicios 2

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Termodinámica I

Guía de Ejercicios N°2 1.

¿El agua congelada es una sustancia pura? ¿Por qué?

2.

¿Cuál es la diferencia entre líquido saturado y líquido comprimido?

3.

¿Cuál es la diferencia entre vapor saturado y vapor sobrecalentado?

4.

¿Hay alguna diferencia entre las propiedades intensivas del vapor saturado a una temperatura determinada y el vapor de una mezcla saturada a la misma temperatura?

5.

¿Hay alguna diferencia entre las propiedades intensivas del líquido saturado a una temperatura dada y las del líquido de una mezcla saturada a la misma temperatura?

6.

¿Es cierto que el agua hierve a temperaturas mayores cuando se expone a presiones más altas? Explique su respuesta.

7.

Si la presión de una sustancia se incrementa durante un proceso de ebullición, ¿la temperatura también aumentará o permanecerá constante? ¿Por qué?

8.

¿Por qué la temperatura y la presión son propiedades dependientes en la región de mezcla saturada?

9.

¿Cuál es la diferencia entre el punto crítico y el punto triple?

10. ¿Es posible tener vapor de agua a –10°C? 11. Un hombre está cocinando un estofado de res para su familia en una cacerola que se encuentra a) descubierta, b) cubierta con una tapa ligera y c) cubierta con una tapa pesada. ¿En cuál de estos casos el tiempo de cocción será más corto? ¿Por qué? 12. ¿Cómo difiere el proceso de ebullición a presiones supercríticas del proceso de ebullición a presiones subcrítica? 13. ¿En qué tipo de recipiente un volumen determinado de agua hierve a mayor temperatura: en uno alto y angosto o en otro chico y amplio? Explique. 14. La tapa de una olla que ajusta bien con frecuencia queda pegada después de cocinar y es muy difícil quitarla cuando el recipiente se enfría. Explique por qué sucede esto y qué haría usted para quitar la tapa.

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15. Se sabe que en un medio más frío el aire caliente tiende a subir. Considere una mezcla tibia de aire y gasolina en la parte superior de una lata abierta de gasolina. ¿Considera que esta mezcla de gas subirá en un medio más frío? (Masa molar de la gasolina (C8H18) es de 114 kg/kmol.) 16. ¿La cantidad de calor absorbido cuando 1 kg de agua líquida saturada hierve a 100°C tiene que ser igual a la cantidad de calor liberado cuando se condensa 1 kg del vapor de agua saturado a 100°C? 17. ¿El punto de referencia seleccionado para las propiedades de una sustancia tiene algún efecto en un análisis termodinámico? ¿Por qué? 18. ¿Cuál es el significado físico de hfg? ¿Es posible obtenerlo a partir de hf y hg? ¿Cómo? 19. ¿Es cierto que se requiere más energía para evaporar 1 kg de agua líquida saturada a 100°C que a 120°C? 20. ¿Qué es la calidad? ¿Tiene algún significado en la región de vapor sobrecalentado? 21. ¿Qué proceso requiere más energía: evaporar por completo 1 kg de agua líquida saturada a 1 atm de presión o evaporar 1 kg de agua líquida saturada a una presión de 8 atm? 22. ¿hfg cambia con la presión? ¿Cómo? 23. ¿Es posible expresar la calidad como la relación entre el volumen ocupado por la fase de vapor y el volumen total? Explique. 24. Si no se cuenta con tablas para líquido comprimido, ¿cómo se determina el volumen específico de un líquido comprimido a P y T dadas? 25. Complete la tabla para el H2O :

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26, Complete la tabla para el H2O

27. Complete esta tabla para el H2O

28. Complete la tabla para el refrigerante-134a

29. Complete la tabla para el refrigerante-134a

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30. Complete la tabla para el refrigerante-134a

31. Complete la tabla para el agua H2O

32. Complete la tabla para el agua H2O

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33. Un recipiente rígido de 1.8 m3 contiene vapor a 220°C. Un tercio del volumen está en la fase líquida y el resto en forma de vapor. Determine: a) la presión del vapor, b) la calidad de la mezcla saturada y c) la densidad de la mezcla. 34. Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 0.85 kg de refrigerante 134a a –10°C. El émbolo, que posee libertad de movimiento, tiene una masa de 12 kg y un diámetro de 25 cm. La presión atmosférica local es de 88 kPa. Si se transfiere calor al refrigerante 134a hasta que la temperatura sea de 15°C, determine a) la presión final, b) el cambio en el volumen del cilindro y c) el cambio en la entalpía del refrigerante 134a. 35. La temperatura en una olla de presión mientras se cocina al nivel del mar es 250°F. Determine la presión absoluta dentro de la olla en psia y en atm. ¿Cambiaría su respuesta si la olla se ubicara en un sitio con mayor elevación? (Asuma agua pura)

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36. Una persona hierve comida en una olla de 30 cm de diámetro la cual está cubierta con una tapa ajustada, después deja enfriar la comida a la temperatura ambiente de 20°C. La masa total del alimento y la olla es de 8 kg. Ahora, la persona trata de abrir la olla levantando la tapa. Si se supone que no entró aire a la olla durante el enfriamiento, determine si la tapa se retira de la olla o se levanta junto con ella. 37. Una olla cuyo diámetro interno es de 20 cm está llena de agua y cubierta con una tapa de 4 kg. Si la presión atmosférica local es 101 kPa, determine la temperatura a la que comenzará a hervir el agua una vez que se calienta. Respuesta: 100.2°C

38. En un dispositivo vertical de cilindro-émbolo se calienta agua. El émbolo tiene una masa de 20 kg y un área en su sección transversal de 100 cm2. Si la presión atmosférica local es 100 kPa, determine la temperatura a la que el agua comienza a hervir. 39. Un recipiente rígido con un volumen de 2.5 m3 contiene 15 kg de una mezcla saturada líquido-vapor de agua a 75°C. El agua se calienta lentamente. Determine la temperatura a la que el líquido en el recipiente se evapora por completo y también muestre el proceso en un diagrama T-v con respecto a las líneas de saturación. Respuesta: 187.0°C 40. Un recipiente rígido contiene 2 kg de refrigerante-134a a 800 kPa y 120°C. Determine el volumen del recipiente y la energía interna total. Respuestas: 0.0753 m3, 655.7 kJ 41. Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 0.1 m3 de agua líquida y 0.9 m3 de vapor de agua en equilibrio a 800 kPa. Se transfiere calor a presión constante hasta que la temperatura alcanza 350°C. a) ¿Cuál es la temperatura inicial del agua? b) Determine la masa total del agua. c) Calcule el volumen final. d) Muestre el proceso en un diagrama P-v con respecto a las líneas de saturación. Page 6 of 10

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42. El vapor de agua sobrecalentado a 180 psia y 500°F se deja enfriar a volumen constante hasta que la temperatura desciende a 250°F. En el estado final, determine: a) La presión, b) La calidad y c) La entalpía. Asimismo, muestre el proceso en un diagrama T-v con respecto a las líneas de saturación. Respuestas: a) 29.84 psia, b) 0.219, c) 426.0 Btu/lbm 43. Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 50 L de agua líquida a 40°C y 200 kPa. Se transfiere calor al agua a presión constante hasta que se evapora toda. a) ¿Cuál es la masa del agua? b) ¿Cuál es la temperatura final? c) Determine el cambio de entalpía total. d) Muestre el proceso en un diagrama T-v con respecto a las líneas de saturación. Respuestas : a) 49.61 kg, b) 120.21°C, c) 125,943 kJ 44. Un recipiente rígido de 0.3 m3 contiene inicialmente una mezcla saturada líquido-vapor a 150°C. El agua se calienta hasta que alcanza el estado crítico. Determine la masa del agua líquida y el volumen que ocupa el líquido en el estado inicial. Respuestas: 96.10 kg, 0.105 m3 45. Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 0.8 kg de vapor a 300°C y 1 MPa. El vapor se enfría a presión constante hasta que se condensa la mitad de la masa. a) Muestre el proceso mediante un diagrama T-v. b) Encuentre la temperatura final. c) Determine el cambio de volumen. 46. Un recipiente rígido contiene vapor de agua a 250°C y una presión desconocida. Cuando el recipiente se enfría a 150°C, el vapor se empieza a condensar. Estime la presión inicial en el recipiente. Respuesta: 0.60 MPa Page 7 of 10

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47. El propano y el metano se usan comúnmente en invierno para calefacción, y su fuga, incluso durante periodos cortos, representa un peligro de incendio en los hogares. ¿Cuál fuga de gas considera que representa un mayor riesgo de incendio? Explique. 48. ¿En qué condiciones es apropiado suponer como gas ideal a los gases reales? 49. ¿Cuál es la diferencia entre R y Ru? ¿Cómo se relacionan estas cantidades? 50. ¿Cuál es la diferencia entre masa y masa molar? ¿Cómo se relacionan? 51. Un globo esférico con un diámetro de 6 m se llena con helio a 20°C y 200 kPa. Determine el número de moles y la masa del helio en el globo. Respuestas: 9.28 kmol, 37.15 kg 52. La presión en una llanta de automóvil depende de la temperatura del aire en aquélla: cuando la temperatura del aire es de 25°C, la presión manométrica es de 210 kPa. Si el volumen de la llanta es 0.025 m3, determine el aumento de presión en ésta cuando la temperatura del aire aumenta a 50°C. También, determine la cantidad de aire que debe sacarse para regresar la presión a su valor original. Suponga que la presión atmosférica es 100 kPa.

53. El aire en una llanta de automóvil con un volumen de 0.53 pies3 está a 90°F y 20 psia. Determine la cantidad de aire que debe agregarse para elevar la presión al valor recomendado de 30 psia. Suponga que la presión atmosférica es 14.6 psia y que la temperatura y el volumen permanecen constantes. Respuesta: 0.0260 lbm 54. Un recipiente rígido contiene 20 lbm de aire a 20 psia y 70°F. Se añade aire al recipiente hasta que la presión aumenta a 35 psia y la temperatura sube a 90°F. Determine la cantidad de aire añadido al recipiente. Respuesta: 13.73 lbm 55. ¿Cuál es el significado físico del factor de compresibilidad Z?

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56. ¿Cuál es el principio de los estados correspondientes? 57. ¿Cómo se definen la presión y la temperatura reducidas? 58. Determine el volumen específico del vapor de agua sobrecalentado a 10 MPa y 400°C, usando: a) La ecuación de gas ideal, b) La gráfica de compresibilidad generalizada y c) Las tablas de vapor. d) Determine también el error en los dos primeros casos. Respuestas: a) 0.03106 m3/kg, 17.6 % b) 0.02609 m3/kg, 1.2% c) 0.02644 m3/kg 59. Determine el volumen específico del vapor del refrigerante 134a a 0.9 MPa y 70°C en base a: a) La ecuación de gas ideal b) La gráfica de compresibilidad generalizada c) Los datos que ofrecen las tablas. D) También, determine el error en los dos primeros casos. 60. Determine el volumen específico de gas nitrógeno a 10 MPa y 150 K en base a: a) La ecuación de gas ideal b) La gráfica de compresibilidad generalizada. Compare estos resultados con el valor experimental de 0.002388 m3/kg y determine el error en cada caso. Respuestas: a) 0.004452 m3/kg, 86.4 % b) 0.002404 m3/kg, 0.7 % 61. Un recipiente de 0.016773 m3 contiene 1 kg de refrigerante 134a a 110°C. Determine la presión del refrigerante, con: a) La ecuación de gas ideal b) La gráfica de compresibilidad generalizada c) Las tablas de refrigerante. Respuestas: a) 1.861 MPa b) 1.583 MPa c) 1.6 MPa

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62. Alguien afirma que el oxígeno (gas) a 160 K y 3 MPa se puede tratar como gas ideal con un error menor a 10 por ciento. ¿Es válida esta afirmación? 63. ¿Cuál es el porcentaje de error en que se incurre al tratar al dióxido de carbono a 3 MPa y 10°C como un gas ideal? Respuesta: 25 % 64. ¿Cuál es el significado físico de las dos constantes que aparecen en la ecuación de estado de Van der Waals? ¿Sobre qué base se determinan? 65. Un recipiente de 1 m3 contiene 2.841 kg de vapor a 0.6 MPa. Determine la temperatura del vapor con: a) La ecuación de gas ideal b) La ecuación de Van der Waals c) Las tablas de vapor Respuestas: a) 457.6 K b) 465.9 K c) 473 K

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