Capitulo 21 Fisica de Tippens

Universidad Técnica de Machala Facultad de Ingeniería Civil

Escuela de informática Carrera de Ingeniería en Sistemas

Capítulo 21

TERMODINAMICA

TERMODINAMICA | Ejercicio 21.1 1

Índice

Contenido Ejercicio 21.1 ................................................................................................................................ 2

Ejercicio 21.2 ................................................................................................................................ 2

Ejercicio 21.4 ................................................................................................................................ 3

Ejercicio 21.5 ................................................................................................................................ 3

Ejercicio 21.6 ................................................................................................................................ 4

Ejercicio 21.7 ................................................................................................................................ 5

Ejercicio 21.8 ................................................................................................................................ 6

Ejercicio 21.9 ................................................................................................................................ 6

Ejercicio 21.10 ............................................................................................................................. 7

Ejercicio 21.11 ............................................................................................................................. 8

Ejercicio 21.13 ............................................................................................................................. 9

Ejercicio 21.14 ............................................................................................................................. 9


Solucionario

Ejercicio 21.1

Un embolo realiza un trabajo de 3000lib sobre un gas, que a su vez expande, efectuando un

trabajo sobre sus alrededores de 2500 Lib-Pies ¿Cuál es el cambio en energía interna del gas

BTU?

Datos

WE= 3000 Lib-Pie

WS= 2500 Lib – Pie

Incógnitas

ΔV =?

Solución

ΔV = -Δw

ΔV = WE – WS

ΔV= 3000 Lib–Pie – 2500 Lib-Pie

ΔV = 500 Lib pie

1 Btu ----------- 778 Lib Pie

X ----------------- 500 Lib Pie

X= 0,643

ΔV=0,643 BTU

Ejercicio 21.2

Un gas se expande contra un embolo móvil levantándose 2 pulgadas a velocidad constante

a) ¿Cuánto trabajo realiza el gas si el embolo pega 200 Lib y tiene un área de sección

transversal de 12 pulgadas

b) si la expansión es adiabática, ¿Cuál es el cambio en l energía interna en BTU

c) ¿el valor de ΔV representara un decremento incremento en la energía interna

Datos

H= 2 plg = 0,167 pie

A= 12 plg2 => 12/ 144pie2 = 0,0834pie2

Incógnitas

a) ΔW =?

b) ΔU =?

Solución


a) W= (200 lib) (0,167pie)

P= 𝐹

𝐴 P=

200 𝐿𝑖𝑏

0,0834 𝑝𝑖𝑒2 P= 2309, 08

𝐿𝑖𝑏

𝑝𝑖𝑒2

ΔW= PAΔX

ΔW= (2309,08 𝐿𝑖𝑏

𝑝𝑖𝑒2) (0,0834pie2)(0,167pie)

b) como ΔU = - ΔW =>

ΔV= -33,4 lib pie

1BTU__________ 778 lib pie

X_____________33,4 lib pie

X= 0,043 BTU

c) Decrece

Ejercicio 21.4

Durante la expansión isotérmica de un gas ideal, se absorben 8 Btu de energía térmica. El

embolo pesa 2000 lib ¿ a qué altura se elevara por arriba de su posición inicial

Datos

ΔQ = 8 BTU => 3 x 778 lib pie = 2334 lib pie

F= 2000 lib

H=?

Solución

ΔQ= FX X2334 𝑙𝑖𝑏 𝑝𝑖𝑒

200 𝑙𝑖𝑏

X = ΔQ

𝐹 X= 1,167 pie

Ejercicio 21.5

Una máquina de vapor opera con un rendimiento del 12% ¿Qué cantidad de calor debe

suministrar por hora a fin de desarrollar 4 caballos de fuerza

Datos

E = 12% => 0,12

Q = ?

W= 33,4 Lib-Pie

ΔW= 33,4 Lib pie

ΔU= -0,043 BTU

h= 1,167 pie


T = 1h

P = 4hp => 10180 btu/h

Solución

1hp ____________ 2545 btu/h x= (4ℎ𝑝)(2545 𝑏𝑡𝑢/ℎ)

1ℎ𝑝

4hp ____________ x

P= 𝑊

𝑇 => W= PT

W= (10180 Btu/h)(1h)

E= 𝑊

𝑄 => Q=

𝑊

𝐸

Q= 10180 𝐵𝑡𝑢

0,12

Q= 84833,33 Btu

Ejercicio 21.6

El calor de combustión del carbón es 1200 btu/lib una maquina al levantar 1 toneladas de

agua a una altura de 100 pie quema 2 libras de carbón ¿Cuál es el rendimiento de la maquina

Datos

Cc= 1200 btu/lib

F= 4ton x 200 𝑙𝑖𝑏

1 𝑡𝑜𝑛 = 8000 lib

H= 100 pie

H= 2lib m

Incógnitas

E= ?

Solución

ΔQ= MCc

ΔQ= (2 lib m) (12000 btu/ lib m)

ΔQ= 2400 Btu

Transformamos los BTU a Lib Pie

24000 Btu x 778 𝑙𝑖𝑏 𝑝𝑖𝑒

1 𝑏𝑡𝑢 => 1867200 lib pie

x= 10180 Btu/h

W= 10180 btu

Q= 8,48 x 104 Btu


ΔW= Fhx

ΔW= (8000 Lib)(100 pie)

E= ΔW

ΔQ

E= 800 000 𝑙𝑖𝑏 𝑝𝑖𝑒

18672000 𝑙𝑖𝑏 𝑝𝑖𝑒 x 100 %

E= 0,043 x 100 %

Ejercicio 21.7

A presión atmosférica 1g de agua tiene un volumen de 1cm3. El calor de vaporización del

agua a 1 ATM es 540 cal/g. Cuando 1 g de agua se evapora completamente a presión

atmosférica, su volumen final es de 1671cm3 en forma x

A) calcular el trabajo externo realizado por el sistema al expandirse en contra de sus

alrededores;

b) ¿Cuál es el incremento de la energía interna del sistema?

Datos Incógnitas

Patm =1 Atm a)Δw =? V1= 1cm3 => 0.000001m3 b)Δv =? Lv = 540 cal/g m = 1g Vf = 1671cm3 => 1.67x10-3m3 Solucíon Patm = 101.3kpa x 1000pa = 101300n/m2

ΔQ = mlv

ΔQ=(1g)(540cal/g)

ΔQ=540cal

ΔW = PΔV => Δw = patm (v2-v1)

Δw=(101300n/m2) (1,67x10-3m3-0.00001m3

Δw=169,76n/m => Δw = 169,76J

Se transforma A x CAL

1Cal------------4,186J

x---------------169,76J

Δv=40,38CAL

ΔQ=1867200 Lib Pie

Δw= 800 000 lib pie

E= 4, 3 %

X = 40,38Cal


A) Δv=Δw-ΔQ

Δw=ΔQ+Δv Δw= 540cal+40,38 cal Δw=499,62cal

Ejercicio 21.8

En proceso termodinámico se suministran 2000CAL de calor a un sistema, y se permite que

este realice un trabajo externo de 3350J. ¿Cuál es el incremento de energía térmica durante

el proceso?

Datos

ΔQ = 200cal (var. De calor )

Δw = 3350J (trabajo extremo) =800.315 CAL

Incógnitas

Δv=?

ΔQ=Δv+Δw

Δv=ΔQ-ΔW variación de energía

1J-----------0,2389cal

33505-----X

Δw=800,315CAL

Δv=1199,69CAL

Ejercicio 21.9

Una máquina de vapor toma vapor de un calentador a 200ºc y lo expulsa directamente al

aire a 100ºc. ¿Cuál es su rendimiento ideal?

Datos Incógnitas

T1= 200ºc => 473ºk E=?

T2=100ºc=>373ºk

Tk=Tc + 273

Solución

𝐸 =Text − Tsal

Text

𝑥 =(3350J)(0,2389CAL)

1J


E =473º𝐾 − 373º𝐾

473º𝐾𝑥 100%

𝐸 = 0.21

𝐸 = 21%

Ejercicio 21.10

En un ciclo de carnot, la expansión isotérmica de un gas se efectua a 400ºk, y se absorben

500kal de energía térmica por gas.

A) ¿Cuánto calor se expulsa por el sistema durante la compresión isotérmica si el

proceso ocurre a 300ºk.

B) ¿Qué trabajo externo es realizado por el sistema?

Datos Incógnitas

Tent =400ºK a)Qsal=?

Qent=500cal b)Wext=?

Tsal=300ºk

Wsal=Qent-Qsal

𝐸 =Tent − Tsal

Tent

𝐸 =400k−300k

400k

𝐸 = 0,25

a) 𝐸 =Qent−Qsal

Qent

EEent=Qent-Qsal

-Qsal=-Qent+EQent

Qsal=-EQent+Qent

Qsal=-(0,25)(500cal)+500cal

Qsal=+375cal

b) W=Qsent-Qsal

W=500sal-375Qsal

W=125Cal


Ejercicio 21.11

Una maquina de carnot absorbe calor de un recipiente a 500K y expulse calor ciclo la

maquina recibe 1200cal de calor del recipiente a alta temperatura.

a) ¿cuál es el rendimiento del ciclo de carnot?

b) ¿Cuántas calorías se expulsaran al recipiente a baja temperatura?

c)¿Cuánto trabajo externo se realiza en julios?

Datos Incógnitas

Text=500ºk a)E=?

Tsal=300ºK b)Qsal=?

Qent=1200cal c)Wsal=?

Solución

a) 𝐸 =Tent−Tsal

Tent

E =500º𝐾 − 300º𝐾

500º𝐾𝑥 100%

𝐸 = 40%

b) 𝐸 =Qent−Qsal

Qent => Qsal=Qent-EQsal

Qsal=(1-E)Qent

Qsal=(1-0,40)1200cal

Qsal=720cal

c) W=EQent

W=(0,40)(1200cal)

W=480cal trabajo en julios

1cal----------4,185J

480cal-------x

Went=2009J

𝑥 =(480cal)(4.185J)

1cal


Ejercicio 21.13

El rendimiento de una máquina de gasolina de Otto es del 50%, y la constante adiabática es

de 1,4. Calcúlese la razón de comprensión.

Datos:

E= 50% => 0,5

R= 1,4

Incógnita

𝑉1

𝑉2= ¿

Solución:

E= 1- 1

(𝑉1

𝑉2 )𝑟−1

E= 1- 1

(𝑉1

𝑉2 )1,4−1

E= 1- 1

(𝑉1

𝑉2 )0,4

1- 1

(𝑉1

𝑉2 )0.4

= 𝐸

- 1

(𝑉1

𝑉2 )0.4

=1-E

1

(𝑉1

𝑉2 )0.4

=1-0,5

1

(𝑉1

𝑉2 )0.4

= 0,5

0,5( 𝑉1

𝑉2)0,4 =1

( 𝑉1

𝑉2)0,4 =

1

0,5

( 𝑉1

𝑉2)0,4 =2

𝑉1

𝑉2 = √2

0,4

𝑉1

𝑉2 = 5,66

Ejercicio 21.14

Una máquina de Carnot tiene un rendimiento del 48%. Si la sustancia de trabajo entra al sistema a 400°C, ¿Cuál es la temperatura de descarga? Datos: E= 48%=> 0,48 TENT= 400°C=> 673°K


Incógnita: TSAL=? Solución: TK= T°C + 273 TK= 400+ 273 T °K= 673 °K

E=𝑇𝑒𝑛𝑡−𝑇𝑠𝑎𝑙

𝑇𝑒𝑛𝑡

E TENT= TENT - Tsal

TENT (1-E) = Tsal

Tsal= (1- 0,48) 673 °K Tsal= 349,96 °K TK= T °C – 273 T °C= 349,96 °K – 273 T °C= 76,96 °C

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