Termodinamica

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UNIVERSITAT JAUME I

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS EXPERIMENTALES

TERMODINÁMICA
2º Curso de Ingeniería Industrial

PROBLEMAS

V. Compañ

Capítulo 1

Primera ley. Aplicaciones a sistemas cerrados.

1. En un dispositivo cilindro-pistón orientado según la figura, se retiene aire. Inicialmente p1=100kPa, V1= 2x10-3 m3, y la cara interna del pistón está en x=0. El muelle noejerce ninguna fuerza sobre el pistón es 0.018 m2. El aire se expande lentamente hasta que su volumen V2=3x10-3 m3. Durante el proceso el muelle ejerce una fuerza sobre el pistón que varía con x según F=kx, donde k=16.2x10-3 N/m. No hay fricción entre el pistón y la pared del cilindro.

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Determínese la presión final del aire, en kPa, y el trabajo hecho por el aire sobre el pistón en kJ.Sol.: 150 kPa. 0.125 kJ.
2. Un gas en un dispositivo cilindro-pistón, sufre dos procesos consecutivos. Desde el estado 1 al 2 hay una transferencia de energía al gas mediante calor, con una magnitud de 500 kJ, y el gas realiza un trabajo sobre el pistón con un valor de 800 kJ. El segundo proceso, desde el estado 2 al estado 3, es una compresión a la presión constante de 400 kPa, durante la cual hayuna transferencia de calor, desde el gas, igual a 450 kJ. También se conocen los siguientes datos: U1 = 2000 kJ y U3 = 3500 kJ. Despreciando cambios en la energía cinética y potencial, calcúlese el cambio en el volumen del gas durante el proceso 2-3, en m3. Sol.: -5.625 m3.

3. Un sistema cerrado sufre un proceso durante el que se transfiere calor al sistema mediante un flujo constante de 3 kW,mientras que la potencia desarrollada por el sistema varía con el tiempo de acuerdo con:

2.4 t 0 < t < 1h
W = {
2.4 t > 1h

donde t viene expresado en horas y W en kW. Calcula: a) ¿ Cuál es la velocidad de cambio de la energía del sistema para t=0.6 h, en kW. b) Determine el cambio producido en la energía del sistema al cabo de 2 h, en kJ.
Sol.: a) 1.56 kW. b)8640 kJ.

4. Ungas está contenido en un dispositivo cilindro-pistón como el de la figura. Inicialmente, la cara interna del pistón está en x=0, y el muelle no ejerce fuerza alguna sobre el pistón. Como resultado de la transferencia de calor el gas se expande elevando el pistón hasta que tropieza con los topes. En ese momento su cara interna se encuentra en x=0.05 m y cesa el flujo de calor. La fuerza ejercidapor el muelle sobre el varía linealmente según F=k x donde k = 10000 N/m. Despreciando rozamientos, determínese: a) ¿ Cuál es la presión inicial del gas en kPa? b) Determine el trabajo hecho por el gas sobre el pistón en J. c) Si las energías internas específicas del gas en los estados inicial y final son 214 y 337 kJ/kg, respectivamente, calcule el calor transferido en julios.
Sol.: a) 112.6 kPa.b 56.4 J. c) 117.9 J.
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5. La pared de un horno industrial está compuesta de 10 in de ladrillo de barro refractario ( en el interior), 4 in de ladrillo aislante, y 6 in de ladrillo de mampostería ( en el exterior). Las conductividades térmicas de los ladrillos son: k=0.6 Btu/h.ft.°F ( refractario), k=0.08 Btu/h.ft.°F (aislante y k=0.4 Btu/h.ft.°F (mampostería). Las temperaturas de lassuperficies interior y exterior son de 450°F y 90°F respectivamente. Suponiendo que las resistencias de las uniones son las mismas que para los ladrillos adyacentes, determine las temperaturas de las superficies interiores. Sol.: T1 = 376.5 °F y T2 = 156 °F.

6. Ciertos componentes electrónicos están disipando calor con una velocidad de 0.5 W. Los componentes están encerrados en un recipientecúbico de aluminio (k=128 Btu/h.ft.°F), y el espesor del aluminio en las paredes del recipiente es de 1/8 in. Las dimensiones exteriores del recipiente son de 1 in por cada lado. Si la temperatura del aire exterior es de 70°F y el coeficiente de transferencia de energía en forma de calor por convección es de h=1.2 Btu/h.ft2.°F. a) ¿ Cuál es la temperatura de la superficie interior del recipiente de...