4-4
El volumen de 1 kg de helio, en un dispositivo de cilindroémbolo, es 7 m3, en un principio. A continuación, el helio se comprime hasta 3 m3, manteniendo constante su presión en 150 kPa. Determine las temperaturas inicial y final del helio, así como el trabajo requerido para comprimirlo, en kJ.
a) 1.0 MPa y 250 °C, y b) 500 kPa. c) También determine la temperatura del estado final en el inciso b).
4-9 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene en un principio 0.07 m3 de gas de nitrógeno a 130 kPa y 180 °C. A continuación, el nitrógeno se expande hasta alcanzar una presión de 80 kPa, en un proceso politrópico, con un exponente politrópico cuyo valor es igual a la relación de calores específicos. Ésta es la llamada expansión isentrópica. Determine la temperatura final y el
trabajo de la frontera durante este proceso.
4-7 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene, al principio, 0.07 m3 de gas de nitrógeno a 130 kPa y 120 °C. Entonces, el nitrógeno se expande en un proceso politrópico hasta un estado de 100 kPa y 100 °C. Determine el trabajo de la frontera efectuado durante este proceso. 4,8 Un dispositivo de cilindro-émbolo, con un grupo de topes, contiene inicialmente 0.3 kg de vapor de agua a 1.0 MPa y 400 °C. El lugar de los topes corresponde al 60 por ciento del volumen inicial. Entonces, se enfría el vapor de agua. Determine el trabajo de compresión, si el estado final es
4-10 Se calienta una masa de 5 kg de vapor de agua saturado a 300 kPa, a presión constante, hasta que la temperatura llega a 200 °C. Calcule el trabajo efectuado por el vapor de agua durante este proceso.
2 kg de nitrógeno a 100 kPa y 300 K. El nitrógeno se comprime entonces lentamente, siguiendo la relación PV1.4 _ constante, hasta que llega a una temperatura final de 360 K. Calcule el trabajo consumido durante este proceso. 4-23 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene en un principio 0.25 kg de gas de nitrógeno a 130 kPa y 180 °C. Ahora se expande isotérmicamente el nitrógeno, hasta una presión de 80 kPa. Determine el trabajo de la frontera, efectuado durante este proceso. 4-24 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 0.15 kg de aire, en un principio a 2 MPa y 350 °C. Primero se expande el aire isotérmicamente hasta 500 kPa, y después se comprime en un proceso politrópico con un exponente politrópico de 1.2, hasta la presión inicial; por último, se comprime a presión constante hasta llegar al estado inicial. Determine el trabajo de la frontera para cada proceso 4,28
4-13 Se expande isotérmicamente 1 m3 de agua líquida saturada a 200 °C en un sistema cerrado hasta que su calidad llega a 80 por ciento. Determine el trabajo total producido por esta expansión, en kJ. 4-14 Una masa de 2.4 kg de aire a 150 kPa y 12 °C está dentro de un dispositivo de cilindro-émbolo hermético y sin
4,34 Se condensa isotérmicamente vapor saturado a 200 °C hasta líquido saturado, en un dispositivo de cilindro-émbolo. Calcule el calor transferido y el trabajo efectuado durante este proceso, en kJ/kg.
fricción. A continuación se comprime el aire hasta una presión final de 600 kPa. Durante el proceso, se retira calor del aire de tal modo que permanece constante la temperatura en el interior del cilindro. Calcule el trabajo consumido durante este proceso. 4-18 Un dispositivo de cilindro-émbolo sin fricción contiene
4-91 Se puede modelar un huevo ordinario como una esfera de 5.5 cm de diámetro. Al principio, el huevo está
4-41 Un radiador eléctrico con 30 L de aceite se
coloca en un recinto de 50 m3. Tanto el recinto como el aceite del radiador están a 10 °C en un principio. El radiador tiene una potencia nominal de 1.8 kW, y se enciende. Al mismo tiempo, se pierde calor del recinto a una tasa promedio de 0.35 kJ/s. Después de algún tiempo, se mide la temperatura promedio y resulta 20 °C, para el aire en el recinto, y 50 °C para el aceite en el radiador. Suponiendo que la densidad y el calor específico del aceite sean 950 kg/m3 y 2.2 kJ/kg · °C, respectivamente, determine cuánto tiempo se mantuvo encendido el calentador
a una temperatura uniforme de 8 °C y se deja caer en agua hirviente, a 97 °C. Si las propiedades del huevo son r _ 1 020 kg/m3 y cp _ 3.32 kJ/kg · °C, determine cuánto calor se transfiere al huevo para cuando su temperatura media aumenta a 80 °C 4-94 Un dispositivo electrónico disipa 25 W. Su masa es 20 g y su calor específico es 850 J/kg · °C. Se usa poco, y está encendido durante 5 min y después apagado durante varias horas, cuando se enfría a la temperatura ambiente de 25 °C. Determine la temperatura máxima posible del dispositivo al
4-88 Considere una plancha de 1 000 W, cuya
base es de aleación de aluminio 2 024-T6 (r _ 2 770 kg/m3 y cp _ 875 J/kg · °C) y de 0.5 cm de espesor. Esa base tiene 0.03 m2 de superficie. Primero, la plancha está en equilibrio térmico con el aire ambiente a 22 °C. Suponiendo que el 90 por ciento del calor generado en los alambres de resistencia se transfiera a la base, determine el tiempo mínimo necesario para que la plancha llegue a 200 °C.
final del periodo de operación de 5 min. ¿Cuál sería su respuesta si ese dispositivo estuviera unido con un sumidero térmico de aluminio, de 0? 5 kg? Suponga que el dispositivo y los sumideros térmicos están prácticamente a la misma temperatura. 4-96 Imagine que ha tenido la desgracia de que una persona enojada lo abofetee, haciendo que la temperatura de su cara se eleve en 1.8 °C (¡duele!). Suponiendo que la mano que lo golpeó tiene una masa de 1.2 kg y que alrededor de 0.150 kg de tejido de la cara y de la mano se afecta por el incidente, estime la velocidad de la mano un instante antes del impacto. Tome el calor específico del tejido como 3.8 kJ/kg · K.
5,7 A una
tobera entra aire constantemente a 2.21 kg/m3 y 40 m/s, y sale a 0.762 kg/m3 y 180 m/s. Si el área de entrada de la tobera es 90 cm2, determine a) la tasa de flujo másico por la tobera, y b) el área de salida de ésta.
5-8 Entra agua a los tubos de una caldera, de 130 mm de diámetro constante, a 7 MPa y 65 °C, y sale a 6 MPa y 450 °C, a una velocidad de 80 m/s. Calcule la velocidad del agua en la entrada de un tubo, y el flujo volumétrico a la entrada.
5-49 Por una turbina adiabática pasa un flujo estacionario de vapor de agua. Las condiciones iniciales del vapor son 6 MPa, 400 °C y 80 m/s en la entrada, y en la salida son 40 kPa, 92 por ciento de calidad y 50 m/s. El flujo másico del vapor es 20 kg/s. Determine a) el cambio de energía cinética, b) la potencia desarrollada por la turbina y c) el área de entrada de la turbina. 5-51 Considere una turbina adiabática a la que entra vapor de agua a 10 MPa y 500 °C, y sale a 10 kPa, con 90 por ciento de calidad. Despreciando los cambios de energía cinética y potencial, determine el flujo másico necesario para producir 5 MW de potencia de salida.
