Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

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ANÁLISIS DE ENERGÍA DE SISTEMAS CERRADOS
4-7 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene, al principio,
0.07 m 3 de gas de nitrógeno a 130 kPa y 120 °C. Entonces,
el nitrógeno se expande en un proceso politrópico hasta
un estado de 100 kPa y 100 °C. Determine el trabajo de la
frontera efectuado durante este proceso.
4-8 Un dispositivo de cilindro-émbolo, con un grupo de
topes, contiene inicialmente 0.3 kg de vapor de agua a 1.0
MPa y 400 °C. El lugar de los topes corresponde al 60 por
ciento del volumen inicial. Entonces, se enfría el vapor de
agua. Determine el trabajo de compresión, si el estado final es
a) 1.0 MPa y 250 °C, y b) 500 kPa. c) También determine la
temperatura del estado final en el inciso b).
Vapor de agua
0.3 kg
1 MPa
400 °C
FIGURA P4-8
4-9 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene en un principio
0.07 m 3 de gas de nitrógeno a 130 kPa y 180 °C. A continuación
el nitrógeno se expande hasta alcanzar una presión
de 80 kPa, en un proceso politrópico, con un exponente politrópico
cuyo valor es igual a la relación de calores específicos.
Ésta es la llamada expansión isentrópica. Determine la temperatura
final y el trabajo de la frontera durante este proceso.
4-10 Se calienta una masa de 5 kg de vapor de agua saturado
a 300 kPa, a presión constante, hasta que la temperatura
llega a 200 °C. Calcule el trabajo efectuado por el vapor de
agua durante este proceso. Respuesta: 165.9 kJ
4-11 Un dispositivo de cilindro-émbolo sin fricción contiene
al principio 50 L de líquido saturado de refrigerante 134a. El
émbolo tiene libre movimiento, y su masa es tal que mantiene
una presión de 500 kPa sobre el refrigerante. A continuación
se calienta el refrigerante hasta que su temperatura sube a
70 °C. Calcule el trabajo efectuado durante este proceso.
Respuesta: 1.600 kJ
Q
4-12 Regrese al problema 4-11. Use el programa EES
(u otro) para investigar el efecto de la presión
sobre el trabajo efectuado. Haga variar la presión de 200 a
1 200 kPa. Trace la gráfica del trabajo efectuado en función de
la presión, y describa los resultados. Explique por qué la gráfica
no es lineal. También trace la gráfica del proceso descrito
en el problema 4-12, en el diagrama P-V.
4-13 Se expande isotérmicamente 1 m 3 de agua líquida saturada
a 200 °C en un sistema cerrado hasta que su calidad llega
a 80 por ciento. Determine el trabajo total producido por esta
expansión, en kJ.
4-14 Una masa de 2.4 kg de aire a 150 kPa y 12 °C está
dentro de un dispositivo de cilindro-émbolo hermético y sin
fricción. A continuación se comprime el aire hasta una presión
final de 600 kPa. Durante el proceso, se retira calor del
aire de tal modo que permanece constante la temperatura en el
interior del cilindro. Calcule el trabajo consumido durante este
proceso. Respuesta: 272 kJ
4-15 Determine el trabajo de frontera realizado por un gas
durante un proceso de expansión si los valores de presión y
volumen se miden en diversos estados como 300 kPa, 1 L;
290 kPa, 1.1 L; 270 kPa, 1.2 L; 250 kPa, 1.4 L; 220 kPa,
1.7 L, y 200 kPa, 2 L.
4-16 Durante unos procesos reales de expansión y
compresión en dispositivos de cilindro-émbolo,
se ha observado que los gases satisfacen la relación PV n C,
donde n y C son constantes. Calcule el trabajo efectuado
cuando un gas se expande de 350 kPa y 0.03 m 3 , hasta un
volumen final de 0.2 m 3 , para el caso en que n 1.5.
4-17 Regrese al problema 4-16. Use el programa EES
(u otro) para graficar el proceso descrito en el
problema, en un diagrama P-V, e investigue el efecto del
exponente politrópico n sobre el trabajo de la frontera. Haga
variar el exponente politrópico, de 1.1 a 1.6. Trace la gráfica
del trabajo de la frontera en función del exponente politrópico,
y describa los resultados.
4-18 Un dispositivo de cilindro-émbolo sin fricción contiene
2 kg de nitrógeno a 100 kPa y 300 K. El nitrógeno se
comprime entonces lentamente, siguiendo la relación PV 1.4
constante, hasta que llega a una temperatura final de 360 K.
Calcule el trabajo consumido durante este proceso.
Respuesta: 89 kJ
N 2
R-134a
PV 1.4 = const.
P = const.
FIGURA P4-18
FIGURA P4-11