Tema 5.1

i Termodinámica Ejercicios para practicar 1. Un bloque de acero con una masa de 20 lbm tiene una temperatura inicial de 500◦ C. En un tanque de acero perfectamente aislado, con una masa de 50 lbm , están contenidos 600 lbm de agua cuya temperatura inicial es de 25◦ C. El bloque se sumerge en el agua y se permite que el sistema llegue al equilibrio. ¿Cuál es la temperatura final de ésta? Ignore cualquier efecto de expansión o contracción, y suponga que los calores específicos son 4.18kJ/kgK para el agua y 0.5kJ/kgK para el acero. 2. ¿Qué cantidad de calor se requiere para cambiar la temperatura de 200 g de plomo de 20 a 100◦ C? Exprese su respuesta en Joules, en calorías y en Btu. 3. Una pieza de cobre de 0.4 kg que se encuentra a 200◦ C se deja caer en un recipiente lleno con 3 kg de agua a 20◦ C. Si no se toman en cuenta otros intercambios de calor, ¿cuál es la temperatura de equilibrio de la mezcla? 4. ¿Cuánto hierro a 212◦ F es necesario mezclar con 10 lb de agua a 68◦ F, de modo que la temperatura de equilibrio se alcance a 100◦ F. 5. Un trabajador necesita conocer la temperatura del interior de un horno. Saca una barra de hierro de 2 kg del horno y la coloca en un recipiente de aluminio de 1 kg parcialmente lleno con 2 kg de agua. Si la temperatura del agua se eleva de 21 a 50◦ C. ¿Cuál era la temperatura del horno? desprecie otros intercambios de calor 6. ¿Qué cantidad de calor, en kcal se requiere para convertir 2 kg de hielo a -25◦ C en vapor a 100◦ C? 7. Cuando 100 g de hielo a 0◦ C se mezclan con 600 g de agua a 25◦ C. ¿Cuál será la temperatura de equilibrio de esa mezcla? 8. Cuánto calor se requiere para generar 200 kg de una mezcla de 40 % de vapor de agua y 60 % de líquido (agua) a 100◦ a partir de un bloque de hielo a -30◦ C? 9. ¿Cuál es la temperatura final de 10 moles de etileno al os que se les añade 800 kJ de calor en un intercambiador de calor a una temperatura inicial de 200◦ C y una presión aproximadamente igual a la atmosférica? 10. ¿Cuánto calor se requiere para calentar 10 moles de SO2 desde 200 hasta 1,100◦ C a una presión aproximadamente igual a la atmosférica en un intercambiador de calor de flujo continuo.? 11. Un trabajador necesita conocer la temperatura del interior de un horno. Saca una barra de hierro de 2 kg del horno y la coloca en un recipiente de aluminio de 1 kg parcialmente lleno con 2 kg de agua. Si la temperatura del agua se eleva de 21 a 50◦ C. ¿Cuál era la temperatura del horno? desprecie otros intercambios de calor. 12. Un aparato de pistón y cilindro contiene inicialmente un gas, con un volumen de 0.8610 m3 . Para un cambio de estado cuasiestático a un volumen de 0.04284 m3 , la ecuación del −2 proceso es P = 0.8610 − 1.8085×10 , donde P se expresa en bar y V en métros cúbicos. V V2

ii a) Determine las unidades de la constante 0.8610 de la ecuación. b) Grafique el proceso en un diagrama PV, aproximadamente a escala. c) Calcule la magnitud del trabajo hecho sobre el gas, en kJ. d) Calcule la magnitud del trabajo requerido cuando está presente una fuerza de fricción de 180 N, el área del pistón es de 100 cm2 . 13. Si 10 g de hielo a -5◦ C se mezclan con 6 g de vapor a 100◦ C, determine la temperatura final y si es el caso la composición de la mezcla líquido vapor. 14. Se le ha encomendado diseñar un tanque cilíndrico para almacenar 200 moles de n-butano a 510 K y 30 bar. La idea es optimizar el costo de diseño. El material de construcción cuesta U.S.$1.00 cada metro cuadrado. ¿Cuáles deben ser las dimensiones (radio de la base y altura) para que el costo sea mínimo? ¿Cuál es el costo mínimo? Utilice la ecuación de estado de gas ideal. 15. Una planta de potencia trabaja con una reserva de calor que sirve como fuente a 350◦ C y con una reserva de calor como vertedero a 30◦ C. La planta tiene una eficiencia térmica igual al 55 % de la de una máquina de Carnot que trabaja a las mismas temperaturas. a) ¿Cuál es la eficiencia térmica de la planta? b) ¿A qué temperatura debe aumentarse la reserva que sirve como fuente de calor para incrementar la eficiencia térmica de la planta a 35 %? De nuevo es igual al 55 % del valor que corresponde a la máquina de Carnot. 16. Una barra de plomo de 20 cm de diámetro y 2 m de largo, cuya densidad es 11.4 cmg 3 y J ◦ ◦ Cp = 0.031 gcal ◦ C a 850 C, se va a templar en 200 Kg de aceite a 20 C, Cp = 2.5 g ◦ C . Si no existen pérdidas de calor y el proceso se realiza a presión atmosférica, ¿cuál es el cambio de entropía de (a) el plomo fundido, (b) el aceite y (c) de ambos considerados como un todo? 17. Si se añaden 2500 kJ de calor a 15 moles de 1-buteno inicialmente a 260 ◦ C, en un proceso de flujo continuo a una presión aproximadamente igual a la atmosférica, ¿cuál es el cambio de entropía? Utilice CP = 1.967 + 0.03163 · T 18. Un hombre promedio pesa aproximadamente 70 kg y produce cerca de 10460kJ de calor al día. a) Suponga que el hombre se encuentra en un sistema aislado y que su capacidad J calorífica es 4.18 gK , si su temperatura fuera de 37◦ C en determinado momento, ¿cuál sería su temperatura 24 horas después? b) De hecho, el hombre es un sistema abierto, y el principal mecanismo para mantener constante su temperatura es la evaporación de agua. Si la entalpía de evaporación kJ de agua a 37◦ C es 43.4 mol , ¿qué cantidad de agua debe evaporarse al día para que la temperatura de una persona se mantenga constante? c Dr. Edgar Omar Castrejón González

Ingeniería Química 2012