Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

273
CAPÍTULO 5
5-183 En el problema anterior, suponga que se agrega aire al
tanque de tal manera que la temperatura y la presión del aire
en el tanque permanezcan constantes. Determine la masa final
de aire en el tanque de lastre bajo esta condición. También
determine la transferencia total de calor mientras el tanque se
está llenando de esta manera.
5-184 Un cilindro de acero contiene inicialmente gas nitrógeno
a 200 kPa y 25 °C. El cilindro está conectado a una línea
de suministro que contiene nitrógeno a 800 kPa y 25 °C. Se
abre una válvula permitiendo que el nitrógeno fluya al interior
del cilindro hasta que la presión llega a 800 kPa. El volumen
interno del cilindro es 0.1 m 3 , su masa (sólo del cilindro) es
50 kg y su calor específico es 0.43 kJ/kg · K. Calcule la masa
final de nitrógeno en el recipiente y la temperatura final del
nitrógeno, suponiendo para el nitrógeno calores específicos
constantes a temperatura ambiente, y suponiendo a) ninguna
transferencia de calor del nitrógeno al recipiente, y b) transferencia
rápida de calor entre el nitrógeno y el recipiente, de tal
manera que el cilindro y el nitrógeno permanezcan en equilibrio
térmico durante el proceso (con transferencia despreciable
de calor del cilindro a su entorno externo).
Respuestas: a) 379 K, 0.711 kg; b) 301 K, 0.896 kg
5-185 Un recipiente con un volumen interior de 1 m 3 contiene
aire a 800 kPa y 25 °C. Se abre una válvula en el recipiente
permitiendo que escape aire y la presión interna cae
rápidamente a 150 kPa, en cuyo punto se cierra la válvula.
Suponga que hay transferencia de calor despreciable del recipiente
al aire que queda en el recipiente. a) Usando la aproximación
h e constante h e, prom 0.5(h 1 + h 2 ), calcule la
masa removida durante el proceso. b) Considere el mismo
proceso, pero dividido en dos partes; es decir, considere un
estado intermedio en P 2 400 kPa, calcule la masa removida
durante el proceso de P 1 800 kPa a P 2 , y luego la masa
removida durante el proceso de P 2 a P 3 150 kPa, usando
el tipo de aproximación que se usó en el inciso a), y sume las
dos para obtener la masa total que se removió. c) Calcule la
masa removida si la variación de h e se toma en cuenta.
Aire
800 kPa
25 C, 1 m 3
5-187 Entra vapor estacionariamente a una turbina a 7
MPa y 600 °C con una velocidad de 60 m/s, y
sale a 25 kPa con una calidad de 95 por ciento. Durante el
proceso ocurre una pérdida de calor de 20 kJ/kg. El área de
entrada de la turbina es de 150 cm 2 , y el área de salida es de
1 400 cm 2 . Determine a) el flujo másico del vapor; b) la
velocidad de salida, y c) la potencia desarrollada.
5-188 Reconsidere el problema 5-187. Usando software
EES (u otro), investigue los efectos del
área de salida de la turbina y la presión de salida de la turbina
en la velocidad de la salida y la producción de potencia de la
turbina. Suponga que la presión de salida varía de 10 a 50 kPa
(con la misma calidad), y el área de salida varía de 1 000 a
3 000 cm 2 . Grafique la velocidad de salida y la potencia desarrollada
contra la presión de salida para las áreas de salida de
1 000, 2 000 y 3 000 cm 2 , y explique los resultados.
5-189 En las plantas eléctricas grandes de gas, el aire se precalienta
por los gases de escape en un intercambiador de calor
que se llama regenerador, antes de que entre a la cámara de
combustión. El aire entra al regenerador a 1 MPa y 550 K a
un flujo másico de 800 kg/min. Se transfiere calor al aire a
razón de 3 200 kJ/s. Los gases de escape entran al regenerador
a 140 kPa y 800 K, y salen a 130 kPa y 600 K. Tratando
los gases de escape como aire, determine a) la temperatura de
salida del aire y b) el flujo másico de los gases de escape.
Respuestas: a) 775 K, b) 14.9 kg/s
5-190 Se propone tener un calentador de agua que consiste
en un tubo aislado de 5 cm de diámetro, y una resistencia
eléctrica en el interior. A la sección de calentamiento entra
uniformemente agua fría a 20 °C, a una razón de 30 L/min.
Si el agua ha de calentarse a 55 °C, determine a) la potencia
nominal del calentador de resistencia y b) la velocidad promedio
del agua en el tubo.
5-191 Un dispositivo aislado vertical de cilindro-émbolo
inicialmente contiene 0.11 m 3 de aire a 150 kPa y
22 °C. En este estado, un resorte lineal toca el émbolo, pero no
ejerce fuerza sobre éste. El cilindro está conectado por una válvula
a una línea que suministra aire a 700 kPa y 22 °C. La válvula
se abre y se permite que el aire de la línea de alta presión
entre al cilindro. La válvula se cierra cuando la presión dentro
del cilindro llega a 600 kPa. Si el volumen del cilindro se duplica
durante este proceso, determine a) la masa de aire que entró al
cilindro y b) la temperatura final dentro del cilindro.
FIGURA P5-185
5-186 Una botella de R-134a líquido tiene un volumen
interno de 0.001 m 3 . Inicialmente contiene 0.4 kg de R-134a
(vapor húmedo) a 26 °C. Se abre una válvula y se permite
sólo al vapor de R-134a (no al líquido) escapar lentamente,
de manera que la temperatura permanece constante hasta que
la masa de R-134a que queda es 0.1 kg. Encuentre la transferencia
de calor necesaria con el entorno para mantener la
temperatura y la presión del R-134a constante.
Aire
V 1 = 0.11 m 3
P 1 = 150 kPa P i = 700 kPa
T 1 = 22 °C
T i = 22 °C
FIGURA P5-191