Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

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CAPÍTULO 4
4-150 Un recipiente rígido aislado está dividido en dos compartimientos
de distintos volúmenes. Al principio, cada compartimiento
contiene el mismo gas ideal a idéntica presión,
pero con diferentes temperaturas y masas. Se quita la pared que
divide los dos compartimientos, y se deja que se mezclen los
gases. Suponiendo que los calores específicos son constantes,
deduzca la ecuación más sencilla para determinar la temperatura
de la mezcla, que tenga la forma
T 3 f m 1
m 3
, m 2
m 3
, T 1 , T 2
donde m 3 y T 3 son masa y temperatura de la mezcla final, respectivamente.
Lado 2
Lado 1
Temperatura = T 1 Temperatura = T 2
Masa = m 1
Masa = m 2
FIGURA P4-150
4-151 Las explosiones catastróficas de las calderas de vapor,
durante el siglo XIX y principios del siglo XX, causaron cientos
de muertes, lo que incitó el desarrollo del Código ASME de
Calderas y Recipientes a Presión, en 1915. Si se considera que
el fluido a presión dentro de un recipiente termina por llegar al
equilibrio con sus alrededores poco después de la explosión, el
trabajo que haría un fluido a presión, si se le dejara expandir
adiabáticamente al estado de los alrededores, se puede considerar
que es la energía explosiva del fluido a presión. Debido
al cortísimo tiempo de la explosión, y a la estabilidad aparente
después, se puede considerar que el proceso de explosión es
adiabático, sin cambios de energías cinética o potencial. En
este caso, la ecuación de conservación de energía en sistema
cerrado se reduce a W salida m(u 1 u 2 ). Entonces, la energía
explosiva E exp viene a ser
E exp m u 1 u 2
donde los subíndices 1 y 2 representan el estado del fluido,
antes y después de la explosión, respectivamente. La energía
específica de la explosión, e exp , se suele expresar por unidad
de volumen, y se obtiene dividiendo la cantidad anterior entre
el V total del recipiente:
u 1 u 2
e exp
v 1
donde v 1 es el volumen específico del fluido antes de la explosión.
Demuestre que la energía específica de explosión de un
gas ideal, con calor específico constante, es
e exp
P 1
k 1 1 T 2
T 1
También, determine la energía total de explosión de 20 m 3 de
aire a 5 MPa y 100 °C, cuando los alrededores están a 20 °C.
P 2
T 2
Caldera
de vapor P 1
T 1
FIGURA P4-151
4-152 Use las ecuaciones del problema 4-151 para determinar
la energía explosiva de 20 m 3 de vapor de agua a 10 MPa
y 500 °C, suponiendo que el vapor se condensa y se convierte
en líquido a 25 °C, después de la explosión. ¿A cuántos kilogramos
de TNT equivale esta energía explosiva? La energía
explosiva aproximada del TNT es 3250 kJ/kg.
4-153 Se comprime un kilogramo de dióxido de carbono, de
1 MPa y 200 °C, hasta 3 MPa, en un dispositivo de cilindroémbolo,
arreglado para ejecutar un proceso politrópico PV 1.5
constante. Determine la temperatura final, considerando
que el dióxido de carbono es un a) gas ideal, b) gas de van der
Waals. Respuestas: a) 682.1 K, b) 680.9 K
CO 2
1 MPa
200 C
PV 1.5 = const.
FIGURA P4-153
4-154 Un kilogramo de dióxido de carbono se comprime
de 1 MPa y 200 °C a 3 MPa, en un dispositivo de cilindroémbolo
preparado para ejecutar proceso politrópico con n =
1.2. Use el factor de compresibilidad para determinar la temperatura
final.
4-155E Se conectan dos recipientes adiabáticos de 10 pies 3
mediante una válvula. Inicialmente, un tanque contiene agua a
450 psia con una calidad de 10 por ciento, mientras el segundo
recipiente contiene agua a 15 psia con una calidad de 75 por
ciento. Ahora se abre la válvula, dejando que el vapor de agua
del recipiente de alta presión se mueva al recipiente de baja
presión, hasta que la presión en ambos recipientes sea igual.
Determine la presión final y la masa final en cada recipiente.
Respuestas: 313 psia, 41.6 lbm
Agua
Agua
10 pies 3 10 pies 3
450 psia
15 psia
x = 0.10
x = 0.75
FIGURA P4-155E