Termodinamica - Cengel 7th - espanhol

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CAPÍTULO 4
EJEMPLO 4-12 Enfriamiento con agua de un bloque
de hierro
Un bloque de hierro de 50 kg a 80 °C se sumerge en un recipiente aislado
que contiene 0.5 m 3 de agua líquida a 25 °C. Determine la temperatura
cuando se alcanza el equilibrio térmico.
Solución En un recipiente aislado con agua se sumerge un bloque de hierro.
Se determinará la temperatura final cuando se alcanza el equilibrio térmico.
Suposiciones 1 Tanto el agua como el bloque de hierro son sustancias incompresibles.
2 Para el agua y el hierro se pueden usar calores específicos constantes
a temperatura ambiente. 3 El sistema es estacionario, por lo tanto los
cambios de energía cinética y potencial son cero, EC EP 0 y E
U. 4 No hay trabajo eléctrico, de flecha o de otro tipo. 5 El sistema está
bien aislado; por consiguiente, no hay transferencia de calor.
Análisis Se toma todo el contenido del recipiente como el sistema (Fig.
4-35), el cual es cerrado puesto que ninguna masa cruza sus fronteras
durante el proceso. Se observa que el volumen de un recipiente rígido es
constante, de modo que no hay trabajo de frontera. El balance de energía se
puede expresar como
E entrada E salida ¢E sistema
⎫ ⎪⎪⎬
⎪
⎭
Transferencia neta de energía
por calor, trabajo y masa
0 ¢U
⎫
⎪⎬⎪⎭
Cambio en las energías interna,
cinética, potencial, etcétera
Agua
Hierro 25 °C
m = 50 kg
80 °C
0.5 m 3
FIGURA 4-35
Esquema para el ejemplo 4-12.
La energía interna total U es una propiedad extensiva, por lo tanto se puede
expresar como la suma de las energías internas de las partes del sistema.
Entonces, el cambio de energía interna total del sistema es
¢U sistema ¢U hierro ¢U agua 0
3mc 1T 2 T 1 24 hierro 3mc 1T 2 T 1 24 agua 0
El volumen específico del agua líquida en o cerca de la temperatura ambiente
se toma como 0.001 m 3 /kg; entonces la masa del agua es
m agua V v
0.5 m3
0.001 m 3 kg
Los calores específicos del hierro y el agua se determinan de la tabla A-3
como c hierro 0.45 kJ/kg · °C y c agua 4.18 kJ/kg · °C. Al sustituir estos
valores en la ecuación de energía se obtiene
(50 kg)(0.45 kJ/kg # °C)(T 2 80 °C) (500 kg)(4.18 kJ/kg # °C)(T 2 25 °C) 0
T 2 25.6 °C
500 kg
De esta manera, cuando se establece el equilibrio térmico, tanto el agua como
el hierro estarán a 25.6 °C.
Comentario El pequeño aumento en la temperatura del agua se debe a su
gran masa y a su calor específico grande.