Problema N°1 - Biblioteca de la UNS

PROBLEMAS PROPUESTOS UNIDAD I
Problema N°1.
El recipiente rígido que muestra la siguiente figura contiene agua a 1.033 kg f/cm2.
Determinar las cantidades de líquido y vapor a 1.033 kgf/cm2, necesarios para hacer que
el agua pase por el estado crítico, si el volumen del recipiente es 2 ft3.
Problema N°2.
El vapor en su estado crítico, está contenido en un recipiente rígido, después retira calor
hasta que la presión es de 21.71 kgf/cm2. Calcule la calidad final.
Problema N°3.
El recipiente rígido que se muestra en la siguiente figura contiene freón-12, inicialmente
saturado a 15.56°C. Determine la cantidad de líquido y vapor, necesarios para hacer que
el freón-12 pase por el estado crítico, si el volumen del recipiente es 2 ft 3.
Problema N°4.
En recipiente rígido tiene un volumen de 0.567 m3 está lleno con amoniaco a 15.47
kgf/cm2, y 93.34°C. Se transmite calor del amoniaco hasta que se vuelve vapor saturado,
Calcular la transmisión de calor durante este proceso.
Problema N°5.
El tanque A contiene 0.454 kgm de freón-12 en fase vapor saturado a 26.68°C. La
válvula se abre ligeramente y el freón-12 fluye despacio en el cilindro B. La masa del
émbolo es tal que la presión del freón-12 en el cilindro B es 1.407 kgf/cm2. El proceso
termina cuando la presión del tanque A es de 1.407 kgf/cm2,: Durante el proceso se
transmite calor al freón-12 para que al temperatura permanezca constante a 26.68°C.
Calcule el calor transmitido durante el proceso.
Problema N°6.
Un recipiente aislado al vacío, con volumen de 348 litros, contiene nitrógeno líquido a
una presión de 1 atmósfera. El recipiente se llena con 90% de líquido y 10% de vapor,
en volumen. El recipiente queda tapado accidentalmente y el calor se transmite al
nitrógeno líquido a través del espacio vacío y la presión aumenta. Si el recipiente
interior revienta cuando alcanza una presión de 4.2 kgf/cm2¿Cuánto tardará en alcanzar
esta presión si el calor se transmite al interior a razón de 22.7 kcal/h.
Problema N°7.
Un tubo sellado tiene un volumen de 32.8 cm3 y contiene agua, parte líquida y parte
vapor en equilibrio a 1 atmósfera. Las fracciones de líquido y vapor son tales que
cuando se calienta el vapor pasa por el punto crítico. Calcule la transmisión de calor,
desde su estado inicial a 1 atmósfera, hasta el estado crítico.
Problema N°8.
El radiador de un sistema de calentamiento tiene un volumen de 20 litros. Cuando se
con vapor saturado de 1.41 kgf/cm2, se cierran todas las válvulas, ¿cuánto calor habrá
sido transmitido al cuarto cuando la presión de vapor sea se 0.7 kgf/cm2.
Problema N°9.
La cápsula A contiene freón-12, en el punto crítico y tiene un volumen de 0.00283 m3.
El volumen B ha sido evacuado inicialmente. L a cápsula se rompe y el freón-12 llena el
volumen. E l volumen A+B es de 0.0283 m3. Después de cierta cantidad de transmisión
de calor la presión es de 7.05 kgf/cm2.
Problema N°10. Un recipiente a presión, que tiene un volumen de 0.142 m3, contiene vapor en el punto
crítico. Se le quita calor hasta que la presión es de 28.1 kgf/cm2. Determine el calor
transferido del vapor.
Problema N°11. Una caldera tiene un volumen total de 2.27 m3. Inicialmente contiene 1.51 m3 de agua
en fase líquida y 0.76 m3 en fase vapor, en equilibrio a 1 atmósfera. Se enciende la
caldera y se transmite calor al agua y al vapor, mientras tanto las válvulas de entrada y
salida permanecen cerradas. La válvula de seguridad escapa cuando la presión llega a
56.3 kgf/cm2. ¿Cuánto calor se transmite al agua y al vapor antes que se abra la válvula
de seguridad?
Problema N°12. El radiador de un sistema de calefacción tiene un volumen de 0.056m3 y contiene vapor
saturado de 1.4 kgf/cm2. Después de cerrar las válvulas del radiador y como resultado de
la transmisión de calor al ambiente del cuarto, la presión baja a 1.05 kgf/cm2. Calcule:
1. La masa total de vapor en el radiador.
2. El volumen y la masa del líquido en su estado inicial.
3. El volumen y la masa del vapor en su estado final.
Problema N°13. Una turbina pequeña, de alta velocidad, que funciona con aire comprimido y produce
una potencia de 0.1 HP. El estado a la entrada es de 60 lb f/in2 y 120 ªF, y el estado de
salida es de 14.7 lbf/in2 y -20ªF. Determine el flujo másico de aire que se requiere a
través de la turbina, suponiendo que las velocidades son bajas y que el proceso es
adiabático.
Problema N°14. En un conjunto de pistón y cilindro se encuentra agua a 300ºF, con calidad de 50% y un
volumen inicial de 2 ft3. Por la carga del pistón la presión interior varía linealmente con
la raíz cuadrada del volumen como P = 14.7 + CV0.5 lbf/in2. Se transmite calor al
cilindro hasta una presión de 90 lbf/in2. Determine la transferencia de calor en el
proceso.
Problema N°15. Un depósito de 20 ft3 contiene amoniaco a 20 lbf/in2. El depósito se une a una tubería
por la que fluye amoniaco a 180 lbf/in2 y 140ºF. Se abre la válvula y la masa fluye hasta
que el depósito se llena a la mitad con líquido a 80ºF. Calcule el calor que se transfiere
desde el depósito durante este proceso.
Problema N°16. Un depósito de acero de 90 lbm, rígido, aislado, con capacidad de 35 ft3, contiene aire a
75 lbf/in2 y tanto el depósito como el aire están a 70ºF. El depósito está conectado a una
tubería por la que fluye aire a 300 lbf/in2 y 70ºF. La válvula se abre y permite que el aire
fluya al depósito hasta que la presión llega a 250 lb f/in2, después se cierra. Suponga que
el aire y el depósito siempre se encuentra a la misma temperatura y encuentre la
temperatura final.
Problema N°17. Una mole de gas ideal. Inicialmente a 40ºC y 1 bar, cambia a 120ºC y 15 bar, mediante
tres procesos mecánicamente reversibles diferentes:
a. El gas primero se calienta a volumen constante hasta que su temperatura es de
120ºC, y luego se comprime isotérmicamente hasta que su presión es de 15 bar.
b. El gas primero se calienta a presión constante hasta que su temperatura es de
120ºC y luego se le comprime isotérmicamente hasta 15 bar.
c. El gas primero se comprime a 15 bar y luego se calienta a presión constante hasta
120ºC.
Calcúlese Q, W, U y  en cada caso. Tómese Cp = (7/2)R y Cv = (5/2)R.
Problema N°18 Una botella inicialmente está vacía, con v = 10 ft3, se llena con agua de una tubería a
120 lbf/in2, y 500ºF. Suponga que no hay transferencia de calor y que la botella se cierra
cuando la presión llega a la de la tubería. Calcule la temperatura final y la masa en la
botella.
Problema N°19 Una cantidad determinada de un gas ideal (Cv = (5/2)R) sufre los siguientes procesos
mecánicamente reversibles, que finalmente forman un ciclo.. El gas, inicialmente a 1
bar y 300ºK, se comprime isotérmicamente hasta 3 bar; luego se calienta a presión
constante P hasta alcanzar la temperatura de 900ºK; finalmente se enfría a volumen
constante hasta su estado inicial, extrayéndose 1300 J como calor. Determínese Q y W
para cada etapa y para el ciclo completo.
Problema N°20 Una libra mol de aire, inicialmente a 248ºC y 8,11 bar, tiene los siguientes cambios
mecánicamente reversibles; se expande isotérmicamente hasta una presión tal que,
cuando es enfriado a volumen constante a 68ºF, la presión final es de 3,04 bar.
Considérese el aire como un gas ideal con Cp =(7/2)R y Cv = (5/2)R, y calcúlense Q,
W, U y .