Termodinamica - Cengel 7th - espanhol

214
ANÁLISIS DE ENERGÍA DE SISTEMAS CERRADOS
Q
Aire
T = const.
FIGURA P4-142
4-143 Un recinto lleno de aire de 4 m 4 m 5 m de dimensiones,
bien aislado, está a 10 °C. Entonces se calienta con un
sistema de calefacción que consta de un radiador con vapor de
agua. El volumen del radiador es 15 L, y se llena con vapor
sobrecalentado de agua a 200 kPa y 200 °C. En ese momento, se
deben cerrar las válvulas de entrada y salida. Se usa un ventilador
de 120 W de potencia para distribuir el aire en el recinto. Se
observa que la presión del vapor de agua baja a 100 kPa en 30
min, debido a la transferencia de calor al recinto. Suponga que
el calor específico del aire es constante e igual al calor específico
a la temperatura ambiente, y determine la temperatura promedio
del aire a los 30 min. Suponga que la presión del aire en
el recinto permanece constante en 100 kPa.
Ventilador
10 °C
4 m × 4 m × 5 m
FIGURA P4-143
Radiador
de vapor
de agua
4-144 Un cilindro horizontal rígido, bien aislado, está dividido
en dos compartimientos por un émbolo que tiene libre
movimiento, pero que no permite el paso de gases entre los dos
lados. En un principio, en un lado del émbolo hay 1 m 3 de gas
de N 2 a 500 kPa y 120 °C, mientras que el otro lado contiene
1 m 3 de gas de He a 500 kPa y 40 °C. Entonces, se establece
el equilibrio térmico en el cilindro, como resultado de la transferencia
de calor a través del émbolo. Use calores específicos
constantes a temperatura ambiente para determinar la temperatura
final de equilibrio en el cilindro. ¿Cuál sería su respuesta si
el émbolo estuviera fijo?
4-145 Repita el problema 4-144, suponiendo que el émbolo
está hecho con 8 kg de cobre, e inicialmente está a la temperatura
promedio de los dos gases en sus dos caras.
Respuesta: 83.7 °C
4-146 Regrese al problema 4-145. Use el programa
EES (u otro) para investigar el efecto de la masa
del émbolo de cobre sobre la temperatura final de equilibrio.
Haga variar la masa del émbolo de 1 a 10 kg. Trace la gráfica
de la temperatura final en función de la masa del émbolo, y
describa los resultados.
4-147 Un dispositivo aislado de cilindro-émbolo contiene 1.4
kg de agua líquida saturada a 200 °C. Entonces se enciende una
resistencia eléctrica colocada en el cilindro, durante 20 min,
hasta que el volumen aumenta al cuádruple. Determine a) el
volumen del cilindro, b) la temperatura final y c) la potencia
nominal de la resistencia.
Respuestas: a) 0.00648 m 3 , b) 200 °C, c) 0.0623 kW
•
W e
Agua
1.4 kg
200 °C
Líquido saturado
FIGURA P4-147
4-148 Un dispositivo de cilindro-émbolo vertical, de 12
cm de diámetro, contiene un gas ideal a las condiciones del
ambiente: 1 bar y 24 °C. La cara interna del émbolo está a
20 cm del fondo del cilindro. Entonces, un eje externo ejerce
una fuerza sobre el émbolo, que equivale a una entrada de trabajo
de la frontera de 0.1 kJ. La temperatura del gas permanece
constante durante el proceso. Determine a) la cantidad
de calor transferido, b) la presión final en el cilindro y c) la
distancia que se desplaza el émbolo.
4-149 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 0.35 kg de
vapor de agua a 3.5 MPa, con 7.4 °C de sobrecalentamiento. A
continuación, el vapor de agua pierde calor a los alrededores,
y el émbolo baja, hasta un conjunto de topes, y en ese punto el
cilindro contiene agua líquida saturada. El enfriamiento continúa
hasta que el cilindro contiene agua a 200 °C. Determine
a) la presión final y la calidad (si es una mezcla); b) el trabajo
de la frontera; c) la cantidad de calor transferido cuando el
émbolo llega a los topes, y d) el calor total transferido.
N 2
1 m 3
500 kPa
120 °C
He
1 m 3
500 kPa
40 °C
Vapor de agua
0.35 kg
3.5 MPa
Q
FIGURA P4-144
FIGURA P4-149