Problemario 2018 - Problemas de termodinámica PDF

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Problemas de termodinámica ...

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UTTEC DBT TERMODINÁMICA 2º CUATRIMESTRE PROPIEDADES FISICAS DE LAS SUSTANCIAS 1. Un manometro indica una presión de 35 psi, cuando al presión barométrica es de 586 mmHg ¿cuál es la P absoluta en pascals? 2. La aceleración de un cuerpo que cae libremente en el vacío es de 9.8060 m/s2. Exprese esta cantidad en ft/s2 3. La viscosidad de una sustancia es de 10 centipoises ¿Cuál es el valor de esa viscosidad en lb/ft s? 4. Un astronauta pesa 850 N sobre la superficie de la tierra, donde g es de 9.806 m/s2. A) ¿cuál es la masa del astronauta? B) ¿Cuál es el peso del astronauta sobre la superficie de la luna, donde g es de una sexta parte de la gravedad de la tierra? 5. Un sistema se esteriliza a 120°C ¿Cuál es la temperatura de esterilización en F, R y K? 6. Una bomba de 10 caballos de vapor y con eficienci de 50% se usa para bombear 5000 l/h de agua ¿Qué trabajo se le transmite al sistema? 7. Si el límite de velocidad en una autopista es de 100 km/h, ¿Cuál es ese límite en millas/h? 8. ¿Cual es el peso en lbf de una masa de 2 slug en un lugar donde g es de 32.2 ft/s2? 9. Es peso de un cuerpo es de 125N en un lugar donde g es de 9.81m/s2 ¿Cuál es la masa del peso en Kg? ¿Cuál es en slugs? 10. Una persona que tiene una masa de 80 kg está siendo sometida a una desaceleración (como en un accidente automovilístico) de 20g donde 1g es de 9.807 m/s2 ¿cuál es la fuerza, en N que actúa sobre la persona? ¿Cuál es la fuera en lbf? 11. Por una tubería de ¾ de pulgada de diámetro interno fluye leche. El único dispositivo para medición disponible es una bureta graduada en ml. Se encuentra que de la tubería fluyen 5 L en un minuto. ¿Cuál es la velocidad de la leche en el tubo, en m/s? 12. La conductividad térmica del aluminio es de 120 BTU/ h F ft. Calcule la conductividad en Kcal/h m C y en W/mK 13. Un aceite de 0.85 de densidad relativa fluye por un ducto de 1 in a razón de 50 galones/minuto. ¿Cuál es la velocidad del aceite en m/s? ¿Cuál es el flujo en kg/h? ¿Cuál es la energía cinética en kgf m /kg? Y ¿a que potencia den HP corresponde? 14. La constaste universal R de los gases en unidades SI es de 8314.3 J/kg mol K, conviértase a: a) BTU/ lb mol °R y b) cal/ g mol K 15. La densidad del agua a temperatura ambiente y presión atmosférica se toma casi siempre de 1 g/cm3. A) Convierta a SI, B) conviértase a lb/ft3 16. Un tanque cilíndrico de 30m de longitud y 1.5 m de diámetro contiene 25 kg de aire. Determine el volumen y la densidad específicos del aire en el tanque 17. El consumo de energía en el mundo es de cerca de 65 GJ por persona al año. Para una población mundial de 5000 millones, ¿Cuál es el consumo anual total de energía equivalente en barriles de petróleo crudos? La energía contenida en un barril de petróleo crudo es de 5.8 x 106 Btu aproximadamente. 18. Se mezcla 1 kg de un líquido que tiene una densidad de 1200 kg/m3 con 2kg de otro líquido que tiene una densidad de 2000 Kg/m3. Si el volumen de la mezcla es la suma de los volúmenes iníciales, ¿Cuál es la densidad de la mezcla?

PROFESORA: ELIZABETH MARGARITA SILVA RODRIGUEZ

UTTEC DBT TERMODINÁMICA 2º CUATRIMESTRE Temas: sustancia pura, cambio de fase y gases 1. Dos termómetros, uno con escala en K y otro en ºC, están en equilibrio con un mismo sistema ¿Cuál es la temperatura del sistema si los termómetros tienen el mismo valor numérico? 2. El barómetro de un montañista registra 930 mbar al principio de un ascenso y 780mbar al final. Desprecie el efecto dela altitud sobre la aceleración gravitacional local y determine la distancia vertical ascendida. Suponga una densidad promedio del aire de 1.2 kg/m 3. ¿Cuál es el significado físico de hfg, hg y hf? 4. ¿La calidad de vapor X, tiene algún significado en la región de vapor sobrecalentado? 5. Complete la siguiente tabla T (°C) P (kPa) V (m3/kg) Fase 50 4.16 200 Vapor saturado 250 400 110 600 6. La presión atmosférica promedio en Denver (altura=1610 m) es 83.4KPa. Determine la temperatura a la que el agua en una cacerola descubierta hervirá en dicha ciudad. 7. La presión de una llanta de automóvil depende de la temperatura del aire en la llanta. Cuando la temperatura del aire es 25ºC, el medidor de presión registra 210 kPa. Si el volumen de la llanta es de 0.025m3, determine el aumento de presión en la llanta cuando la temperatura del aire en su interior aumenta a 50ºC. 8. El aire en una llanta de automóvil con un volumen de 0.53 ft3 se encuentre a 90ºF y 20 psig. Determine la cantidad de aire que debe agregarse para elevar la presión al valor recomendado de 30 psig. Suponga que la presión atmosférica corresponde a 14.6 psia y que la temperatura y el volumen permanecen constantes. 9. Un tanque rígido contiene 20lb de aire a 20 psia y 70°F, se añade más aire al tanque hasta que aumenta la presión a 35 psia y la temperatura a 90°F. Determine la cantidad de aire añadido al tanque. 10. Determine el volumen específico del vapor de agua sobrecalentado a 10 MPa y 400ºC, usando: a) la ecuación del gas ideal, y b) las tablas de vapor 11. Un recipiente rígido de 5 m3 contiene vapor a 20MPa y 400ºC ¿Cuál es la masa del vapor? 12. Un tanque rígido contiene inicialmente una cierta cantidad de nitrógeno a 120 KPa y 20ºC. Se agregan 3 kg del mismo gas y la presión y temperatura finales que se alcanzan en el tanque son 240 kPa y 20ºC, respectivamente. ¿Cuál es el volumen del tanque?

PROFESORA: ELIZABETH MARGARITA SILVA RODRIGUEZ

UTTEC DBT TERMODINÁMICA 2º CUATRIMESTRE Transferencia de energía por calor, Principio de conservación de la masa, 1ª ley de la termodinámica, Balance de energía para sistemas cerrados y abiertos 1. ¿Cuáles son los 3 mecanismos de transferencia de calor? Describelos 2. Para fines de transferencia térmica un hombre en pie puede modelarse como un cilindro vertical de 30 cm de diámetro y 170 cm de longitud con las superficies superior e inferior aisladas y con la superficie latería a una temperatura promedio de 34°C. Para un coeficiente de transferencia de calor por convección de 15 W/m2 °C, determine la rapidez de pérdida de calor de este hombre por convección en un ambiente a 20°C. 3. Una masa de 5 kg de vapor de agua saturado a 200 kPa se calienta a presión constante hasta que la temperatura alcanza 300ºC. Calcule el trabajo realizado por el vapor durante este proceso 4. Una masa de 2.4 kg de aire a 150 kPa y 12°C está contenida en un dispositivo hermético de gas de cilindro-émbolo sin fricción. Después el aire se comprime hasta una presión final de 600 kPa. Durante el proceso se transfiere calor desde el aire para que la temperatura en el interior del cilindro se mantenga constante. Calcule el trabajo ingresado durante este proceso. 5. Un tanque rígido contiene 20 lb de aire a 50 psia y 80°F. El aire se calienta hasta que su presión se duplica. Determine a) el volumen del tanque y b) la cantidad de calor transferido 6. La presión, el volumen específico y la energía interna de un fluido en un estado dado son de 100kPa, 1.8 m3/kg y 2500 kJ/kg, respectivamente. Calcular entalpia en kJ/kg del fluido en ese estado. 7. La presión, el volumen específico y la entalpia de un fluido en un estado dado son de 50kPa, 3 m3/kg y 1560 kJ/kg, respectivamente. Calcular la energía interna en kJ/kg del fluido en ese estado 8. Calcular la entalpia de una lbm de fluido que llena un volumen de 10 ft3 si la energía interna es de 450 BTU/lb y la presión es de 35 psia. 9. A través de un tubo de 5 cm de diámetro interno fluye agua a 25°C. Calcular el caudal de la masa de agua en kg/s, a través del tubo si la velocidad media del agua es de 3 m/s. La densidad del agua es de 1000 kg/m3 10. En un proceso determinado fluye agua por una tubería de 1 pulgada de diámetro a una velocidad de 2 m3/h. Calcular la energía cinética para este flujo en J/s. 11. Se bombea petróleo crudo a una velocidad de 15 kg /s desde un pozo de 200 m de profundidad a un tanque de almacenamiento que está a 20 m por encima del nivel del suelo. Calcular la velocidad de aumento de energía potencial que acompaña al proceso (Ep en J/s). 12. Un fluido se expande en una turbina en condiciones de estado y flujo permanentes. Ingresa a la turbina a una velocidad de 3m/s a través de un tubo de 2.5 cm de diámetro. En el punto de entrada, la entalpía del fluido es de 2400 kJ/kg y el volumen específico de 0.34 m3 /kg. En el punto de salida,

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UTTEC DBT TERMODINÁMICA 2º CUATRIMESTRE la entalpía es de 2100 kJ/kg. Despreciando la transferencia de calor y los cambios en las energías cinéticas y potencial, ¿Cuál es la potencia de salida de la turbina en KW? 13. En un condensador entra flujo uniforme de vapor de agua con entalpía de 2330 kJ/kg y velocidad de 350 m/s. El líquido resultante sale con entalpía de 140 kJ/kg y velocidad de 6 m/s ¿Cuál es la cantidad de calor transferido al medio de enfriamiento por cada kg de vapor de agua condensado? 14. Una turbina funciona con 500kg de vapor por hora. El vapor entra a la turbina con una presión de 44 atm y 450°C, a una velocidad lineal de 60m/s, y sale en un punto más abajo de la entrada de la turbina (5m) a una presión de 1 atm y a una velocidad de 360m/s. La turbina produce trabajo externo a una velocidad de 70 KW y se estima que la pérdida de calor de la turbina es de 104kcal/h. Calcular el cambio de entalpía específica asociada al proceso. 15. Considere la expansión de aire dentro de un cilindro, determinar el trabajo realizado por el gas si: el volumen y la presión iníciales son 0.025 m3 y 10 MPa, y el volumen final de 0.2 m3. Considere que la trayectoria del proceso está dado por PV1.4 = constante. 16. Un flujo de agua caliente a 80°C entra a una cámara mezcladora a una razón de 0.5 kg/s, y se mezcla con un flujo de agua fría a 20°C. Se desea que la mezcla salga de la cámara a 42 °C. Calcule el flujo másico de agua fría. Suponga que todos los flujos están a la presión de 250 kPa. 17. Se calienta agua a 65°F y 20 psia, en una cámara, mezclándola con vapor saturado a 20 psia. Si ambos flujos entran a la cámara con el mismo flujo másico, determine la temperatura y la calidad del flujo que sale. 18. A un condensador de una termoeléctrica entra vapor a 20 kPa y 95% de calidad, con un flujo másico de 20 000 kg/h. Se va a enfriar con agua de un río cercano, pasándola por los tubos ubicados en el interior del condensador. Para evitar la contaminación térmica, el agua del río no debe tener un aumento de temperatura mayor de 10°C. Si el vapor debe salir del condensador como líquido saturado a 20 kPa, determine el flujo másico de agua de enfriamiento requerido. 19. Un intercambiador de calor de tubos concéntricos con pared delgada, de contraflujo, se usa para enfriar aceite (Cp}= 2.20 KJ/kg °C) de 150 a 40 °C, a razón de 2 kg/s, usando agua, que entra a 22°C, a razón de 1.5 kg/s. Determine la tasa de transferencia de calor en el intercambiador y la temperatura de salida del agua. 20. El agua fría que va a una regadera entra a 15°C, a un intercambiador de tubos concéntricos con pared delgada, de contraflujo, a una razón de 0.6 kg/s, y se calienta hasta 45°C con agua caliente que entra a 100°C a razón de 3 kg/s. Determine la tasa de transferencia de calor en el intercambiador y la temperatura de salida del agua caliente. 21. Se bombea agua desde el fondo de un pozo de 15 ft de profundidad a razón de 200 gal/h para introducirla en un tanque con respiradero situado 165 ft por encima del suelo, con objeto de mantener constante el nivel de agua en el tanque. Para evitar que el agua se congele, un pequeño calentador introduce 30 000 Btu/h en el agua durante su transferencia desde un pozo hasta el PROFESORA: ELIZABETH MARGARITA SILVA RODRIGUEZ

UTTEC DBT TERMODINÁMICA 2º CUATRIMESTRE tanque de almacenamiento. Se pierde calor del sistema a una velocidad constante de 25 000 Btu/h ¿Qué temperatura tiene el agua al ingresar en el tanque de almacenamiento, suponiendo que el agua del pozo está a 35°F? Se usa una bomba de 2 HP para subir el agua. Cerca del 55% del caballaje especificado se invierte en el trabajo de bombear, y el resto se disipa como calor hacia la atmósfera. R= 39.5 °F 2ª LEY DE LA TERMODINAMICA 1. Una sustancia simple compresible que se encuentra dentro de un cilindro efectúa un cambio de estado cuasi estáticamente, isotérmicamente y a presión constante. Si el cambio de entalpía del sistema es de 2257 kJ a 100 ºC, ¿Cuál es el cambio correspondiente en su entropía? 2. Una máquina de calor produce 5000 kW al agregársele 4.5 x107 kJ /h de calor, ¿Cuál es la eficiencia térmica de la máquina?, ¿Cuánto calor se sustrae de ésta? 3. Un dispositivo de cilindro-embolo contiene 3 lb de agua líquida a 20 psia y 70 °F el agua se calienta a presión constante por la adición de 3450 BTU de calor. Determine el cambio de entropía durante el proceso 4. La potencia de salida de una máquina de calor es 12500kW. Su eficiencia térmica es del 40% ¿Cuál es la rapidez con que se agrega calor a la maquina? ¿Cuál es la rapidez con que elimina calor la máquina? 5. Un ciclo inverso de calor que opera frigoríficamente tiene una capacidad de refrigeración de 600kJ/min. Sus temperaturas son 260 y 340 K respectivamente. Determine: a) la cantidad de calor cedido, b) el trabajo suministrado, c) el CDO y e) la eficiencia si funcionará como máquina térmica. 6. Una máquina de Carnot recibe calor a 750 K y libera calor de desecho al ambiente a 300 K. La salida de trabajo de la máquina se usa para accionar un refrigerador de Carnot que extrae el calor de un espacio enfriado a -15ºC a una tasa de 400 kJ/min y lo regresa al ambiente a 300 K. Determine la tasa de calor suministrado a la maquina térmica. 7. Un refrigerador domestico con un CDF de 1.5 extrae calor del espacio refrigerado a una tasa de 60 Kj/min. Determine la potencia eléctrica consumida por el refrigerador y la tasa de calor al aire de la cocina. 8. Un refrigerador que se usa para enfriar alimentos en una tienda de abarrotes debe producir 25 000 kJ/h de efecto de enfriamiento, y tiene un coeficiente de operación de 1.6. ¿Cuántos KW de potencia necesitará este refrigerador para operar? 9. Un almacén de alimentos se mantiene a -12°C mediante un refrigerador, en un entorno de 30°C. la ganancia total de calor al almacén se estima en 3 300 KW, y el rechazo de calor en el condensador es de 4 800 KW. Determine la entrada de potencia al compresor, en KW y le COP del refrigerador.

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