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Archivo>Capítulo- Análisis de Energía- Sistemas Cerrados.

EJEMPLO 3-A1 Determine la cantidad de calor necesaria para subir la temperatura de 1 kg de aluminio desde 30ºC a 100ºC. Cambio de escenario: ¿Cómo cambiaría el resultado si se calentara madera en lugar de aluminio? 

Solución:

EJEMPLO 3-B1 Un tanque rígido aislado contiene 1.5 kg de helio a 30ºC y 500 kPa. Una rueda de paletas con una clasificación de potencia de 0.1 kW se opera dentro del tanque durante 30 minutos. Determine la presión y temperatura final. Cambio de escenario: ¿Cuál sería el resultado si la presión fuera de 100 kPa?


Solución:

EJEMPLO 3-B2 Una persona que vive en un cuarto de  4m x 5m x 5m enciende un ventilador de 100-W, antes de salir del cuarto que se encuentra caluroso a 100 kPa y 30ºC. El espera que esté mas frío cuando regrese luego de 5 horas. Despreciando cualquier transferencia de calor, determine la temperatura que encontrará cuando regrese. Cambio de escenario: ¿Cuál sería el resultado si la potencia del ventilador fuese de 50 W? 

Solución:

EJEMPLO 3-B3 Un tanque rígido aislado se divide en dos partes iguales mediante una membrana. Al principio, una parte contiene 3 kg de Nitrógeno a 500 kPa, 50oC, y la otra parte está completamente vacía. La membrana es perforada y el gas se expande hasta ocupar todo el tanque. Determine la presión y temperatura finales. Cambio de escenario: ¿Cuál sería el resultado si la sección llena contuviera 3 kg de nitrógeno a 300 kPa?

Solution:

EXAMPLE 3-C1 Repita el ejemplo 3-B3 tratándolo como un gas ideal (no como gas perfecto).

Solución:

EJEMPLO 3-C2 Un dispositivo de cilindro-émbolo tiene un anillo para limitar su carrera de expansión. Inicialmente, como se muestra en la figura 1, la masa de aire es 2 kg a 500 kPa, 30oC. Ahora se transfiere calor hasta que el émbolo toca el anillo, punto en el cual el volumen es dos veces el volumen original. Se sigue transfiriendo calor hasta que la presión en el interior llega al doble. Determine la cantidad de calor transferido y la temperatura final. 

Solución:

EJEMPLO 3-E1 Un dispositivo cilindro-émbolo contiene inicialmente 20g de vapor de agua saturado a 300 kPa. Un calentador de resistencia es operado dentro del cilindro con una corriente de 0.4 A desde una fuente de 240 V hasta que el volumen se duplica. Al mismo tiempo, ocurre una pérdida de calor de 4 kJ. Determine la temperatura final y la duración del proceso. Cambio de escenario: ¿Cuál sería el resultado si el dispositivo cilindro-émbolo contuviera inicialmente agua líquida saturada? 

Solution:

EJEMPLO 3-E2 Un tanque rígido aislado tiene dos compartimentos, uno 10 veces mas grande que el otro, divididos por una partición. Al principio, el lado mas pequeño contiene 4 kg de H2O a 200 kPa y 90oC, y el otro lado está al vacío. Determine la temperatura de equilibrio final y la presión luego de remover la partición.  Cambio de escenario: ¿Cuál sería la respuesta si la cámara mayor fuera 100 más grande?

Solución:

EJEMPLO 3-E3 Un radiador de vapor (utilizado para calentar espacios) tiene un volumen de 20 L y se llena con vapor a 200 kPa y 250oC. Ahora se cierran las válvulas de entrada y salida. Mientras el radiador se enfría hasta la temperatura del cuarto de 20oC, determine el calor transferido y muestre el proceso en un diagrama p-v. Cambio de escenario:   ¿Cuál sería el resultado si la presión del vapor en el radiador fuese de 400 kPa?

Solución:

EJEMPLO 3-E4 Un dispositivo cilindro-émbolo contiene 40 kg de agua a 150 kPa, 30oC. El área de sección transversal del émbolo es de 0.1 m2. Se añade ahora calor causando que parte del agua se evapore. Cuando el volumen alcanza 0.2 m3, el émbolo hace contacto con un resorte lineal con una constante de resorte de 120 kN/m. Se añade mas calor hasta que el émbolo se desplaza otros 25 cm hacia arriba. Determine la presión y temperatura finales y la transferencia de energía.

Solución:

EJEMPLO 3-E5 Un tanque rígido con 3 kg de H2O a 150 kPa, x=0.2 es calentado con 1000 kJ. Determine la presión final y la fase del H2O. Cambio de escenario: ¿Cuál sería el resultado si el tanque rígido fuese calentado con 500 kJ?

Solución:

EJEMPLO 3-E6 Una masa de 2 kg de agua líquida se vaporiza por completo a una presión constante de 1 atm. Determine la energía añadida. Cambio de escenario: ¿Cuál sería el resultado si la presión fuera 2 atm?

Solution:

EJEMPLO 3-F1 Una masa de 10 kg de mezcla de líquido-vapor saturado de  R-12 está contenida en un dispostivo de cilindro-émbolo a 0oC. Inicialmente la mitad de la mezcla está en la fase líquida. Ahora se transfiere calor, y el émbolo, que descansa sobre un anillo de detención, comienza a moverse cuando la presión alcanza 500 kPa. La transferencia de calor continúa hasta que el volumen total se duplica. Determine (a) la fase y presión finales (b) el trabajo y calor transferidos en todo el proceso. Además, muestre el proceso en un diagrama p-v.

Solución:

EJEMPLO 3-H1 Un tanque cuyo volumen es desconocido se divide en dos partes mediante una partición. Un lado contiene 0.02 m3 de líquido saturado R-12 a 0.7 MPa, mientras que el otro está al vacío. Se remueve la partición, y el R-12 llena todo el volumen. Si el estado final es 200 kPa, 30oC, determine el volumen del tanque y la transferencia de calor. Cambio de escenario: ¿Cuál sería el resultado si el estado final fuese 300kPa y 30oC?
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Solución:

EJEMPLO 3-H2 Un tanque aislado que contiene 0.5 m3 de vapor saturado de R-134a a 500 kPa es conectado a un sistema de cilindro-émbolo aislado inicialmente vacío, como se muestra en la figura 1. El balance de fuerzas en el pistón es tal que se requiere una presión de 200 kPa para levantar el pistón. Ahora se abre ligeramente la válvula, y parte del vapor fluye hacia el cilindro, levantando el pistón. El proceso termina cuando la presión en ambos lados de la válvula se iguala. Determine la presión cuando se alcanza el equilibrio. Cambio de escenario: ¿Cuál sería el resultado si el fluido de trabajo fuera R-12?

Solución:

EJEMPLO 3-AB1 Un bloque de 40 kg a 90oC es arrojado en un tanque aislado que contiene 0.5 m3 de agua líquida a 20oC. Determine la temperatura de equilibrio
Solución:

EJEMPLO 3-AB2 Una masa desconocida de hierro a 80oC es arrojada en un tanque aislado que contiene 0.1 m3 de agua líquida a 20oC. Mientras tanto, una rueda de paletas impulsada por un motor de 200 W es utilizada para revolver el agua. Cuando se alcanza el equilibrio luego de 20 min, la temperatura final es de 25 ºC. Determine la masa del bloque de hierro. Cambio de escenario: ¿Cuál sería el resultado si el bloque de hierro estuviera a 150ºC en el momento de ser arrojado al tanque?

Solución:

EJEMPLO 3-BB1 Un tanque rígido de 0.5 m3 que contiene hidrógeno a 40oC, 200 kPa es conectado a otro tanque rígido de 1 m3 que contiene hidrógeno a 20oC, 600 kPa. Se abre la válvula y se le permite al sistema alcanzar equilibrio térmico con sus alrededores a 15ºC.Determine la presión final y la transferencia de calor.

Solución:

EJEMPLO 3-CC1 Dos tanques aislados están concetados como se muestra en la Fig. 1, y ambos contienen H2O. El tanque A está a 200 kPa, v=0.4 m3/kg, V=1 m3 y el tanque B contiene 3.5 kg a 0.5 MPa, 400oC. Se abre entonces la válvula y ambos llegan a un estado uniforme. Encuentre la presión y temperatura finales.

Solución:



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