Guía de Ejercicios Para Laboratorio 2

5/24/2018 Gu a de Ejercicios Para Laboratorio 2

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GUA DE EJERCICIOS PARA LABORATORIO #2

1. 5 kg de agua estn contenidos en un arreglo cilindro-pistn, inicialmente a 5 bar y 240C. Elagua es calentada lentamente a presin constante hasta un estado final. Si la transferencia de

calor en el proceso es de 2960 kJ, determine la temperatura del estado final, en C, yel trabajo en kJ.

2. Se encuentra agua en un arreglo cilindro-pistn, como se muestra en la figura.Inicialmente a 1.5 bar y 20% de calidad, es calentado hasta que el pistn llega a los

topes. El calentamiento contina hasta que el agua se convierte en vapor saturado.

Muestre los procesos en un diagrama T-v respecto al domo de saturacin. Encuentre

el trabajo y el calor en cada proceso, en kJ/kg.

3. Tres libras de agua estn contenidas en un arreglo cilindro-pistn. Inicialmente ocupaun volumen V1=30 ft3 a T1=300F. El agua se somete a dos procesos:

Proceso 1-2:Compresin isotrmica hasta V2=11.19 ft3, durante este proceso ocurreuna transferencia de calor del agua de 1275 Btu.

Proceso 2-3:Calentamiento a volumen constante hasta P3=120 lbf/in2.Muestre los procesos en un diagrama T-v. Determine el trabajo del proceso 1-2 y la

transferencia de calor en el proceso 2-3, cada una en Btu.

4. Se tiene R-410a es un arreglo cilindro-pistn, como se muestra en la figura, donde elvolumen es 11 L cuando el pistn llega a los topes. El estado inicial es -30C, 150 kPa, con

un volumen de 10 L. El sistema se calienta hasta los 15C. a)Llega el pistn a los topes

en el estado final? b)Encuentre el trabajo realizado por el R-410a durante el proceso.

5. Complete esta tabla para el agua:T [F] P [psia] u [Btu/lbm] h [Btu/lbm] Descripcin de fase300 782

40 Lquido Saturado

500 120

400 400

6. Un dispositivo de cilindro-embolo contiene 0.85 kg de refrigerante 134a, a -10C. El mbolotiene movimiento libre, y su masa es 12 kg, con un dimetro de 25 cm. La presin atmosfrica

local es 88 kPa. Se transfiere calor al refrigerante 134a hasta que su temperatura es 15C.

Determine a)la presin final, b)el cambio de volumen del cilindro y c)el cambio de entalpa en

el refrigerante.


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13.Un cilindro vertical tiene un pistn de 90 kg sujeto por un perno, el cual retiene a 10 L de R134aa 10C y 90% de calidad. La presin atmosfrica es de 100 kPa y el rea transversal del cilindro

es de 0.006 m2. Se retira el perno y se permite que el pistn se mueva y llegue al reposo con

una temperatura final de 10C para el R134a. (a) Encuentre la presin y el volumen finales; (b)

Encuentre el trabajo que realiza el R134a.

14.Un dispositivo de cilindro-mbolo contiene 0.1 m3 de agua lquida y 0.9 m3 de vaporde agua, en equilibrio a 800 kPa. Se transmite calor a presin constante, hasta que la

temperatura llega a 350 C. (a) Cul es la temperatura inicial del agua? (b) Calcule la

masa total de agua (c) Calcule el volumen final (d) Indique el proceso en un diagrama

P-v con respecto a las lneas de saturacin. (e) Deje variar la presin de 0.1 MPa hasta

1 MPa. Grafique la masa total de agua en funcin de la presin y describa los

resultados.

15.Se encuentran 10 kg de agua en un arreglo cilindro-pistn a 100 kPa, con calidad del50%. Se calienta a un punto que el volumen se triplica. La masa del pistn es tal que se

necesita una presin interna de 200 kPa para levantarlo (ver figura). a)Encuentre la

temperatura final y el volumen del agua. b)Encuentre el trabajo realizado por el agua.

c)Esquematice el proceso en un diagrama P-v con respecto al domo de saturacin.

16.Se deja enfriar vapor de agua a 180 psia y 500F, a volumen constante, hasta que latemperatura baja a 250F. En el estado final, calcule a) la presin b) la calidad y c) la entalpa.

Tambin muestre el proceso en un diagrama T-v con respecto a las lneas de saturacin. Ahora

haga otro grfico donde vare la presin entre 100 psi y 300 psi y trace la grfica de calidad en

funcin de la presin inicial e indquelo en un diagrama T-v en su domo de saturacin.

17.Un conjunto de pistn y cilindro contiene 1 kg de agua a 20C con un volumen de 0.1 m 3.Inicialmente el pistn descansa sobre unos topes y con la parte superior abierta a la atmosfera,

de modo que se requiere de una presin de 300 kPa para levantarlo. A qu temperatura se

deber calentar el agua para levantar el pistn? Determine la temperatura final, el volumen, el

calor transferido y el trabajo efectuado por el agua, si el estado final es vapor saturado.

18.Un conjunto cilindro-pistn contiene R-134a a -30C, x=0.20. El volumen inicial es de 0.2 m3.Sesabe que el volumen en los topes es de 0.4 m3 y que si el pistn descansara sobre el fondo del

cilindro, la fuerza del resorte equilibrara a las otras cargas sobre el pistn. Ahora se calienta el

conjunto hasta los 20C. Determine la masa del fluido y trace un diagrama P-V. Calcule el

trabajo y la transferencia de calor totales.


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19.Un recipiente de 0.25 m3 de capacidad se llena con vapor de agua saturado a 1500 kPa. Si elrecipiente se enfra hasta que se ha condesado el 25% del vapor. Cunto calor se transfiere y

cul es la presin final?

20.El amonaco en un conjunto de pistn-cilindro se encuentra a 700 kPa y 80C. Se le enfra apresin constante hasta que se convierte en vapor saturado (estado 2), punto en el cual el

pistn se asegura por medio de un perno. El enfriamiento contina hasta -10C (estado 3).

Muestre los procesos 1 a 2 y 2 a 3 en un diagrama P-v con respecto al domo de saturacin.

Calcule el trabajo realizado y el calor intercambiado.

21.Dos kilogramos de agua estn contenidos en un arreglo cilindro-pistn con unpistn de masa despreciable cargado con un resorte lineal, como se muestra en la

figura. Inicialmente el resorte no ejerce fuerza y P1 = P0 = 100kPa con un volumen

de 0.2 m3. Si el pistn justo llega a los topes superiores, el volumen es 0.8 m3 y

T=600C. Se calienta hasta que la presin alcanza 1.2 MPa. Encuentre la

temperatura final, muestre el proceso en un diagrama P-v respecto al domo de

saturacin, y encuentre el trabajo realizado durante el proceso.

22.Un resorte lineal y la atmsfera actan sobre un conjunto cilindro-pistn. El cilindro contieneagua a 5 MPa y 400C, y el volumen es de 0.1 m3. Si el pistn se encuentra en el fondo, el

resorte ejerce una fuerza tal que se requiere una Pelevacin = 200 kPa. El sistema se enfra hasta

que la presin alcanza los 1200 kPa. Calcule la masa de agua y v1.Determine el estado final (T2,

v2), trace el proceso en un diagrama P-v con respecto al domo de saturacin, calcule el trabajo

y el calor intercambiado

23.Se enfra vapor sobrecalentado de 180 psia y 500F a volumen constante, hasta que latemperatura desciende hasta 250F. Para el estado final calcule a) la presin, b) la calidad, c) la

entalpa. Muestre el proceso en un diagrama T-v con respecto a las lneas de saturacin; d) use

el EES para investigar el efecto de la presin inicial sobre la calidad del agua en el estado final.

Haga que la presin vare de 100 psi a 300 psi. Trace una grfica de calidad en funcin de la

presin inicial; tambin represente el proceso indicado al inicio en un diagrama T-v usando la

funcin de graficar propiedades en EES.

24.Un arreglo cilindro-pistn contiene 1 kg de R-134a en elestado 1 con 110C, 600 kPa. Se enfra hasta vapor saturado

en el estado 2 mientras que el pistn se bloquea con un

perno. Ahora el pistn es balanceado con una fuerza adicional

constante y se remueve el perno. El enfriamiento contina

hasta el estado 3, donde el R134a es lquido saturado.

Muestre los procesos en un diagrama P-v respecto del domo de saturacin y encuentre el

trabajo hecho en cada proceso.


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25.Un dispositivo de cilindro-mbolo sin friccin contiene al principio 200 L de lquido saturado deR134a. El mbolo tiene libre movimiento, y su masa es tal que mantiene una presin de 900

kPa sobre el refrigerante. A continuacin se calienta el refrigerante hasta que su temperatura

sube a 70C. Calcule el trabajo efectuado durante este proceso. Investigue el efecto de la

presin sobre el trabajo efectuado. Vare la presin de 400 a 1200 kPa. Trace una grfica del

trabajo en funcin de la presin y describa los resultados. Explique por qu la grfica no es

lineal. Trace el primer proceso descrito en un diagrama P-v con su domo de saturacin.

26.Un cilindro tiene un pistn conectado a un resorte lineal (k = 15 kN/m) contiene0.5 kg de vapor saturado a 120C, como se muestra en la figura. Se transfiere

calor al agua, causando que el pistn se eleve. Si el rea del pistn es 0.05 m2 y

la presin vara linealmente con el volumen hasta que se alcanza una presin

final de 500 kPa, encuentre la temperatura final del agua y el calor transferido en

el proceso. Realice un diagrama P-v del proceso respecto al domo de saturacin.

27.Un cilindro provisto con un pistn carente de friccin contiene 2 kg de refrigerante R134acomo vapor sobrecalentado a 1 MPa y 100C. El cilindro se enfra de modo que el R134a

permanece a presin constante hasta que alcanza una calidad de 75%. Represente el cambio

de los estados a travs del proceso en pasos de 5 grados sobre un diagrama T-v hasta alcanzar

el estado final.

28.Un dispositivo de cilindro mbolo contiene 0.8 kg de nitrgeno, inicialmente a 100 kPa y 27C.Se comprime lentamente el nitrgeno, en un proceso politrpico durante el cual

tetanconsPVn , hasta que el volumen se reduce a la mitad. Investigue el efecto del

exponente politrpico variando su valor de 1.1 a 1.6 con intervalos de 0.1; trace los procesos

en un diagrama P-V y haga diagramas del trabajo y del calor en funcin del valor de n

29.Un cilindro vertical tiene un pistn de 61.18 kg bloqueado por un perno, atrapando 10 Lde R-410a a 10C y 90% de calidad. La presin atmosfrica es de 100 kPa, y el rea del

pistn es de 0.006 m2. Se remueve el perno, permitiendo que el pistn se mueva y llega

a reposo con una temperatura final de 10C. Encuentre la presin final, el volumen final, y

el trabajo hecho por el R-410a. Represente el proceso en un diagrama P-v respecto al

domo de saturacin.

30.La cmara izquierda, de 1.5 ft3, de un sistema dividido se llena con 2 lbm deagua a 500 psia. El volumen de la cmara derecha tambin es de 1.5 ft3, y

est inicialmente al vaco. A continuacin se rompe y se transfiere calor al

agua hasta que su temperatura llega a 300F. Determine la presin final del

agua, en psia, y la energa interna total, en Btu, en el estado final.


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31.Un dispositivo de cilindro-mbolo, con un grupo de topes, contiene inicialmente0.3 kg de vapor de agua a 1.0 Mpa y 400C. El lugar de los topes corresponde al 60

por ciento del volumen inicial. Entonces, se enfra el vapor de agua. Determine el

trabajo de compresin, si el estado final es a)1.0 Mpa y 250C, y b)500 kPa. c)

Tambin determine la temperatura del estado final en el incisob).

32.Un dispositivo cilindro-pistn contiene una mezcla bifsica lquido-vapor de amonacoinicialmente a 500 kPa con 98% de calidad. Se produce una expansin a un estado donde la

presin es 150 kPa. Durante el proceso la presin y el volumen especfico estn relacionados

por pv = constante. Para el amonaco, determine las transferencias de calor y trabajo por

unidad de masa, en kJ/kg.

33.En un dispositivo de cilindro-mbolo estn contenidos 12 kg de vapor saturado de refrigerante134a, a 240 kPa. Entonces se transfieren 300 kJ de calor al refrigerante, a presin constante,

por medio de una resistencia en su interior conectada a un suministro de voltaje de 110 V

durante 6 min. Determine la corriente aplicada, para que la temperatura final sea 70C.

Tambin muestre el proceso en un diagrama T-v, con respecto a las lneas de saturacin.

34.Un sistema que consiste en 2 kg de agua recorre un ciclo compuesto de los siguientes procesos: Proceso 1-2:expansin con pv=constante desde vapor saturado a 100 bar hasta 10 bar. Proceso 2-3: proceso a presin constante hasta v3=v1. Proceso 3-1:calentamiento a volumen constante.

Represente el ciclo sobre diagramas p-v y T-v respecto a las lneas de saturacin. Desprecie los

efectos de las energas cintica y potencial, determine el trabajo neto para el ciclo y la

transferencia de calor para cada proceso, todo ello en kJ.

35.Una mezcla bifsica lquido-vapor de agua, inicialmente a 1.0 MPa con una calidad de 90%, estcontenida en un depsito rgido, bien aislado. La masa de agua es 2 kg. Una resistencia

elctrica en el depsito transfiere energa al agua con una potencia constante de 60 W.

Determine el tiempo, en horas, cuando la temperatura en el depsito alcanza 200C.

36.Cinco kg de vapor de agua saturado estn contenidos en un depsito rgido a una presin inicialde 40 bar. La presin del agua cae a 20 bar como consecuencia de la cesin de calor al

ambiente. Determnese el volumen del depsito, en m3, y la calidad del estado final.

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