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Ejercicios para Certamen 1 de Termodinámica
Abril de 2012
1.-Un tanque rígido y aislado cuyo volumen total es de 3.0 m 3 , está dividido en dos compartimentos iguales mediante una pared rígida y aislada. Ambos lados del tanque contienen un gas monoatómico ideal. En un lado la temperatura y presión iniciales son 200 ºC y 0.50 bar, en tanto que en el otro lado los valorescorresponden a 40 ºC y 1.0 bar. En ese momento se rompe la pared divisoria y los contenidos se mezclan perfectamente. Determinar la temperatura y la presión de equilibrio final. Datos Ru del gas =
Sol: 79.8 ºC y 0.75 bar

2.-Un depósito rígido de 9 m 3 contiene nitrógeno (M N2 = 28,016 kg/kmol). El depósito está dividido en dos partes por medio de una membrana. La parte A tieneuna densidad inicial de 1,667 kg/m 3 , y la parte B tiene 0,2142 kmol. Después de romperse la membrana, se encuentra que la densidad es 1,778 kg/m 3 . Calcular la densidad inicial del gas de la parte B.
Sol: 2 kg/m 3

3.-Calcular el trabajo realizado en la expansión de 300 g de un gas a la presión constante de 200 kN/m2 cuando el volumen pasa de 200 dm3 a 300 dm3 . a) ¿Qué cantidadde trabajo habría que realizar para comprimirlo al volumen inicial? b) ¿Cuál será el trabajo específico desarrollado por el gas?.
Solución: a) 20 kJ; b) 66.7 kJ/kg.

4.-Un gas se comprime isotérmicamente desde una presión de 100 Pa y un volumen de 0.058 m 3 a un volumen de 0.008 m 3 . Si supone que el gas sigue la ecuación de estado pV = nRu T, determine la presión final y el trabajopuesto en juego.
Solución: a) 725 Pa; b) -11.49 J

5.-La fase de compresión de un motor Diesel, cuya relación de compresión r (= V1 /V2 ) es 15, se hace mediante un proceso de ecuación pV 1.35 = cte. Si la temperatura inicial es de 35 ºC, calcular la temperatura final T 2 y el trabajo específico molar desarrollado. Suponga al aire como un gas ideal (pV= nRuT, donde
Ru =8.3143 kJ/(kmol K)).
Solución: a) 795 K; b) –11569 kJ/kmol.

6.-Un sistema cerrado inicialmente en reposo sobre la superficie de la Tierra es sometido a un proceso en el que recibe una transferencia neta de energía por trabajo igual a 200 kJ. Durante este proceso hay una transferencia neta de energía por calor desde el sistema al entorno de 30 kJ. Al final del proceso, el sistema tiene unavelocidad de 60 m/s y una altura de 60 m. La masa del sistema es de 25 kg. Calcular la variación de energía interna del sistema para el proceso.
Solución: 110.3 kJ.

7.-Un gas está contenido en un depósito rígido cerrado provisto de una rueda de paletas. Dicha rueda agita el gas durante 20 minutos, con una potencia variable con el tiempo según la expresión, , en la que estáen watios y t en minutos. La transferencia de calor desde el gas al entorno se realiza con un flujo constante de -50 W. Calcular:
a) la velocidad de cambio de la energía del gas para t = 10 min. b) El cambio neto de energía en el gas después de 20 min.
Solución: a) 50 W; b) 60 kJ.

8.-Un conjunto cilindro-pistón contiene un gas que sufre varios procesos cuasiestáticos que constituyen unciclo. El proceso es como sigue: 1-2, compresión adiabática; 2-3, isóbaro; 3-4, expansión adiabática; 4-1, isócoro. La tabla que se muestra contiene los datos del comienzo y del final de cada proceso para un sistema dado A:

Para este sistema A, haga un bosquejo del ciclo en un diagrama p-V y determine para cada uno de los cuatro procesos las interacciones térmicas y detrabajo.

Solución: a) 0 kJ, -2.20 kJ; 10.08 kJ, 2.73 kJ; 0 kJ, 4.23 kJ; -5.32 kJ, 0 kJ.

9.-El cilindro de la figura, de paredes y émbolo adiabáticos, contiene la misma cantidad de aire en ambas partes, a 300 ºC y 1 bar. Desplazamos el pistón, sin rozamiento, aplicando una fuerza exterior resistida hasta que la presión en B aumenta a 2 bar. Calcular:

a) el trabajo exteriormente...