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Guía de Ejercicios No 1. Fundamentos de Procesos Industriales.

Problema 1.
En su luna de miel, James Joule viajó de Inglaterra a Suiza. Trató de verificar su idea de la
convertibilidad entre energía mecánica y energía interna al medir el aumento en temperatura del
agua que caía de una catarata. Si el agua de una catarata alpina tiene una temperatura de 10°C y
luego cae 50 m (como lascataratas del Niágara) , ¿qué temperatura máxima podría esperar joule
que hubiera en el fondo de las cataratas?
Problema 2.
Considere el aparato de joule descrito en la figura. La masa de cada uno de los dos bloques es de
1.5 kg, y el tanque aislado se llena con 200 g de agua. ¿Cuál es el aumento de la temperatura del
agua después que los bloques caen una distancia de 3 m?

Problema 3.
El usosistemático de energía solar puede dar un gran ahorro en el costo de calefacción de
espacios en invierno para una casa típica de la región norte central de Estados Unidos. Si la casa
tiene buen aislamiento, es posible modelarla como que pierde energía por calor de manera
continua a razón de 6000 W en un día de abril, cuando la temperatura promedio exterior es de
4°C, y cuando el sistema decalefacción convencional no se usa en absoluto. El colector pasivo de
energía solar puede estar formado simplemente por ventanas muy grandes en una alcoba que

mire hacia el sur. La luz solar que brille durante el día es absorbida por el piso, paredes interiores y
otros objetos del cuarto, elevándose así su temperatura a 38°C. Cuando baja el sol, las cortinas o
persianas aislantes se cierransobre las ventanas. Durante el periodo entre las 5:00 p.m. y las 7:00
a.m. la temperatura de la casa bajará, y se necesita una "masa térmica" suficientemente grande
para evitar que baje demasiado. La masa térmica puede ser una gran cantidad de piedra (con calor
o

específico de 850]/kg. C) en el piso y las paredes interiores expuestas a la luz solar. ¿Qué masa de
piedra se necesita si latemperatura no debe descender por abajo de 18°C durante la noche?
Problema 4.
El láser Nova del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, en California, se usa en estudios para
iniciar una fusión nuclear controlada (sección 23.4 del volumen II). Puede entregar una potencia
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de 1.60 X 10 W durante un intervalo de tiempo de 2.50 ns. Compare su energía de salida en uno
de estos intervalos con laenergía necesaria para hacer que se caliente una olla de té de 0.8 kg de
agua de 20°C a 100°C.
Problema 5.
Una herradura de hierro de 1.5 kg inicialmente a 600°C se deja caer en una cubeta que contiene
20 kg de agua a 25°C. ¿Cuál es la temperatura final? (Pase por alto la capacidad calorífica del
recipiente, y suponga que la insignificante cantidad de agua se hierve.)
Problema 6.
Una taza dealuminio de 200 gr de masa contiene 800 gr. de agua en equilibrio térmico a 80°C. La
combinación de taza y agua se enfría uniformemente de modo que la temperatura desciende en
1.5°C por minuto. ¿A qué ritmo se remueve energía por calor? Exprese su respuesta en watts.
Problema 7.
Una moneda de cobre de 3 gr. a 25°C se deja caer 50 m al suelo. (a) Suponiendo que 60 % del
cambio en energíapotencial del sistema formado por el centavo y nuestro planeta se va a
aumentar la energía interna del centavo, determine su temperatura final. (b) ¿Qué pasaría si?
¿Este resultado depende de la masa del centavo? Explique.
Problema 8.
Una combinación de 0.25 kg de agua a 20°C, 0.4 kg de aluminio a 26°C, y 0.1 kg de cobre a 100°C
se mezclan en un recipiente aislado al que se deja llegar alequilibrio térmico. Soslaye cualquier
transferencia de energía hacia o desde el recipiente y determine la temperatura final de la mezcla.
Problema 9.
Dos veloces balas de plomo, cada una de 5 gr. de masa y a una temperatura de 20°C, chocan de
frente a una rapidez de 500 m/s cada una. Si se supone una colisión perfectamente inelástica y no

hay pérdida de energía por calor a la atmósfera,...