Ejercicios propuestos 2

1. Un dispositivo pistón-cilindro tiene un anillo que limita la expansión del embolo. Tal como se muestra en la figura, inicialmente la masa de aire es de 2 kg a 500kPa y 30ºC. Se transfiere calor hasta que el pistón alcanza los topes, en dicho punto el volumen es el doble del volumen original. Se transfiere más calor hasta que la presión al interior del dispositivo, también se duplica. Determine:a) La cantidad de calor transferida.b) La temperatura final.

2. Un dispositivo pistón-cilindro contiene 40 kg de agua a 150kPa y 30ºC. El área de la sección transversal del pistón es 0.1 m2. Se adiciona calor ocasionado que una parte del agua se evapore. Cuando se alcanza el volumen de 0.2 m3, el pistón alcanza a un resorte lineal de constante 120kN/m. Se agrega más calor hasta que el pistón se eleva otros 25 cm adicionales. Determine:a) La presión final.b) La temperatura final.c) La energía transferida.

3. El cilindro vertical que se muestra en la figura contiene 0.084kg de agua a 40ºC. El volumen inicial encerrado debajo del pistón es 0.0184 m3. El pistón tiene un área de 390 cm2 y una masa de 56.7 kg. Inicialmente el embolo descansa sobre los topes mostrados. La presión atmosférica es 96.6kPa. Entonces, se transmite calor al vapor hasta que el cilindro contenga vapor saturado. Se pide:

a. Determinar la temperatura del agua cuando el pistón empieza a levantarse de los topes.

b. Determinar el trabajo ejercido por el sistema.c. Determinar el calor transferido.d. Mostrar el proceso en el diagrama P-V.

4. Un dispositivo pistón-cilindro contiene aire, que inicialmente está a 900kPa y 250°C y ocupa un volumen de 0.005m3. El pistón libre de fricción, está anclado por un tope en la dirección de la expansión, pero en la dirección de la compresión se mueve libremente. El pistón pesa 200kg y tiene un área de 0.005m2. Se extrae calor desde el dispositivo pistón-cilindro hasta que se alcance 40% del volumen inicial. La presión atmosférica que actúa sobre el pistón es 100kPa. Se desprecia el área de los topes en comparación con el área del pistón. La aceleración de la gravedad es 9.81m/s2.Se pide:a) Dibujar los procesos en el diagrama p-V.b) Calcular la presión al cual el pistón inicia el desprendimiento de sus topesc) Determinar el trabajo sobre sus alrededores durante el proceso de transferencia de

calor.

5. Un dispositivo pistón-cilindro inicialmente contiene 20 g de vapor saturado de agua a 300kPa. Un calentador de resistencias instalado dentro del cilindro, opera con una intensidad de corriente de 0.4 A desde una fuente de 240 V, hasta que se alcance duplicar el volumen. Al mismo tiempo, ocurre una pérdida de calor de 4 kJ. Determine:a) La temperatura final.b) La duración del proceso.

Patm

Vapor

Liquido

6. Un tanque rígido con 3 kg de agua a 150kPa y X=0.3, se calienta con 1000kJ. Determine:a. La presión final.b. La calidad del vapor.

7. Vapor ingresa establemente a una turbina adiabática a 6MPa, 600ºC y 50 m/s y sale a 50kPa, 100ºC y 150 m/s. La turbina produce 5 MW. Determine:a. El flujo másico.b. ¿Cuál sería la conclusión si la turbina produciría 10 MW?

8. Vapor ingresa establemente a una tobera adiabática a 3MPa, 670 K y 50 m/s y sale a 2MPa y 200 m/s. Si la tobera tiene un área de entrada de 7 cm 2 y despreciando la variaron de la energía potencia, determine el área de salida.

9. Aire ingresa con una velocidad de 10m/s a una tobera pobremente aislada operando a estado estable. A la entrada la temperatura es 700°k y la presión es 400kPa. El área de entrada es 0.1m2. La temperatura a la salida de la tobera es 650°K, la presión es 350kPa y el área de salida es 0.004m2. El peso molecular del aire es 28.97kg/kmol.Se pide:a) La velocidad a la salida de la tobera.b) El flujo y la dirección de la transferencia de calor sobre sus alrededores.

10. Vapor de agua a una presión de 6MPa y a una temperatura de 500°c ingresa a una turbina adiabática con una velocidad de 20m/s y se expande a una presión de 50kPa y una calidad de 0.98. El vapor sale con una velocidad de 200m/s. La turbina requiere desarrollar una potencia de 1MW. Se pide:a) El flujo másico de vapor requerido, cuando se desprecia la variación de la energía

cinética.b) Determinar el efecto de la variación de la energía cinética sobre la respuesta.