Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

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CAPÍTULO 4
4-19 La ecuación de estado de un gas es v(P 10/ v 2 )
R u T, donde las unidades respectivas de v y P
son m 3 /kmol y kPa. Entonces, 0.2 kmol de este gas se expanden
en un proceso de cuasiequilibrio, de 2 a 4 m 3 a una temperatura
constante de 300 K. Determine a) la unidad de la
cantidad 10 en la ecuación, y b) el trabajo efectuado durante
este proceso de expansión isotérmica.
4-20 Regrese al problema 4-19. Con la función de
integración en el programa EES, calcule el trabajo
efectuado, y compare su resultado con el “calculado a
mano” del problema 4-19. Trace la gráfica del proceso descrito
en el problema en las coordenadas P-v.
4-21 El dióxido de carbono contenido en un dispositivo de
cilindro-émbolo se comprime de 0.3 a 0.1 m 3 . Durante el proceso,
la presión y el volumen se relacionan con P av 2 ,
donde a 8 kPa · m 6 . Calcule el trabajo efectuado sobre el
dióxido de carbono durante este proceso. Respuesta: 53.3 kJ
4-22E Durante un proceso de expansión, la presión de un
gas cambia de 15 a 100 psia, siguiendo la relación P aV
b, donde a 5 psia/pie 3 y b es una constante. Si el volumen
inicial del gas es 7 pies 3 , calcule el trabajo efectuado durante
el proceso. Respuesta: 181 Btu
4-23 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene en un principio
0.25 kg de gas de nitrógeno a 130 kPa y 180 °C. Ahora
se expande isotérmicamente el nitrógeno, hasta una presión de
80 kPa. Determine el trabajo de la frontera, efectuado durante
este proceso. Respuesta: 16.3 kJ
N 2
130 kPa
120 °C
FIGURA P4-23
Fluido
FIGURA P4-25
Resorte
4-26 1.5 kg de agua a 1 MPa tiene inicialmente 30 por
ciento de calidad, y ocupa un dispositivo de cilindro-émbolo
con carga de resorte. Entonces se enfría ese dispositivo, hasta
que el agua es líquido saturado a 100 °C. Calcule el trabajo
total producido durante este proceso, en kJ.
4-27 Un gas ideal experimenta dos procesos en un dispositivo
de cilindro-émbolo como sigue:
1-2 Compresión politrópica de T 1 y P 1 con exponente politrópico
n y una relación de compresión de r = V 1 /V 2 .
2-3 Expansión a presión constante a P 3 = P 2 hasta que V 3 = V 1 .
a) Haga un esquema de los procesos en un solo diagrama
P-v.
b) Obtenga una expresión para la relación del trabajo de
compresión al de expansión como función de n y r.
c) Encuentre el valor de esta relación para valores de n =
1.4 y r = 6.
1
Respuestas: b) n 1 1 r 1 n
r 1 , c) 0.256
Análisis de energía de sistemas cerrados
4-28E Complete cada renglón de la siguiente tabla, con base
en el principio de conservación de la energía para un sistema
cerrado.
4-24 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 0.15
kg de aire, en un principio a 2 MPa y 350 °C. Primero se
expande el aire isotérmicamente hasta 500 kPa, y después
se comprime en un proceso politrópico con un exponente
politrópico de 1.2, hasta la presión inicial; por último, se
comprime a presión constante hasta llegar al estado inicial.
Determine el trabajo de la frontera para cada proceso, y el
trabajo neto del ciclo.
4-25 1 kg de agua que al principio está a 90 °C, con 10 por
ciento de calidad, ocupa un dispositivo de cilindro-émbolo
con carga de resorte, como el de la figura P4-25. Entonces se
calienta ese dispositivo hasta que la presión sube hasta 800
kPa, y la temperatura es 250 °C. Calcule el trabajo total producido
durante este proceso, en kJ. Respuesta: 24.5 kJ
Q entrada W salida E 1 E 2 m e 2 – e 1
Btu Btu Btu Btu lbm Btu/lbm
350 — 1.020 860 3 —
350 130 0550 — 5 —
— 260 0600 — 2 150
500 — 01 400 900 7 —
— 50 1 000 — 3 200
4-29E Un sistema cerrado como el que se muestra en la
figura P4-29E se opera de manera adiabática. Primero, este
sistema realiza 15 000 lb . pie de trabajo. Luego se aplica trabajo
al dispositivo de agitación para elevar la energía interna
del fluido en 10.28 Btu. Calcule el aumento neto en la energía
interna de este sistema.