PROBLEMAS SOBRE SUSTANCIA PURA

1. Una mezcla lquido vapor de agua se mantiene en un recipiente rgido a 60C. El sistema se calienta hasta que su estado final es el punto crtico. Determine:

a) la calidad (o ttulo) inicial de la mezcla lquido vapor b) la relacin inicial entre los volmenes ocupados por las fases lquido y vapor.

2. Un recipiente rgido contiene vapor de agua a 16 bar y a una temperatura desconocida. Cuando el vapor se enfra hasta 180C, ste comienza a condensar. Estmense: a) la temperatura inicial, en grados Celsius; b) la variacin en la energa interna, en kJ/kg.

3. Un depsito rgido, cuyo volumen interior es de 8 litros contiene refrigerante 134a a 200 kPa en forma de una mezcla lquido vapor con una calidad del 20%. Determnense: a) la masa de vapor inicialmente presente; b) la fraccin del volumen total ocupado inicialmente por el lquido.

4. Un recipiente rgido contiene inicialmente agua con un volumen especfico de 1,694 m3/kg a 0,3 bar, suministrndose calor hasta que se alcanza una presin de 1bar. Determnense: a) el ttulo o calidad inicial de la mezcla lquido vapor; b) las variaciones en la energa interna y en la entalpa del agua, en kJ/kg.

NOTA: Represntese, esquemticamente, el proceso en un diagrama P-v.

5. Una cierta cantidad de agua, que se encuentra inicialmente a 10 bar y cuyo volumen especfico inicial es de 0,02645 m3/kg, experimenta una expansin isobrica hasta 0,2060 m3/kg. Determnense: a) las temperaturas iniciales y final del agua; b) las variaciones en su energa interna y entalpa especficas, en kJ/kg. NOTA: Represntese, esquemticamente, el proceso en un diagrama P-v.6. Una cierta masa de refrigerante 134a experimenta un proceso isotrmico a 40C. La presin inicial es de 4 bar y el volumen especfico final de 0,010m3/kg. Determnense: a) la presin final, en barb) las variaciones en su energa interna y entalpa especficas, en kJ/kg. NOTA: Represntese, esquemticamente, el proceso en un diagrama P-v.

7. Se considera un cilindro fijo y rgido, de paredes metlicas, provisto de un pistn tambin rgido y que puede desplazarse en el interior del cilindro con rozamiento despreciable. El cilindro contiene una cierta cantidad de agua, que inicialmente, a la presin de 1 MPa, ocupa un volumen de 1 234 cm3, siendo el volumen especfico inicial de 0,2678 m3/kg. El agua se comprime a presin constante, segn un proceso cuasiesttico, hasta que se convierte en vapor saturado. Hllense:

a) Las temperaturas inicial y final, en grados Celsius. b) Las variaciones en la energa interna y entalpa, en kJ. c) El trabajo desarrollado y el calor absorbido, en kJ.

NOTA: Represntese, esquemticamente, el proceso en un diagrama P-v.

8. Un tanque de paredes rgidas, cuyo volumen interior es de 2 560 L, contiene inicialmente vapor de agua saturado a 5,00 bar. Un enfriamiento del agua origina una cada de presin hasta 1,00 bar. Determnense, para el estado final de equilibrio:

a) la temperatura, en grados Celsius; b) el ttulo o calidad final del vapor; c) el cociente entre la masa de lquido y la masa de vapor; d) la cantidad de calor intercambiada entre el agua y su ambiente.

NOTA: Represntese, esquemticamente, el proceso en un diagrama P-v.

9. Una cierta cantidad de refrigerante 134a tiene un volumen especfico de 0,02500 m3/kg a la presin de 0,5000 MPa (estado 1). Se expansiona a temperatura constante hasta que la presin cae a 0,2800 MPa (estado 2). Finalmente, se enfra a presin constante hasta que se convierte en vapor saturado (estado 3). Para cada una de las etapas del proceso descrito, determnense:

a) Las variaciones en el volumen especfico, en m3/kg. b) Las variaciones en la energa interna y en la entalpa, en kJ/kg.

NOTA: Represntese, esquemticamente, el proceso en un diagrama P-v

10. Se comprime agua lquida saturada a 40C hasta una presin de 50 bar y Temperatura de 80C. Determnense las variaciones en el volumen especfico, energa interna y entalpa: a) utilizando la tabla de lquido comprimido; b) utilizando como aproximacin los datos de saturacin a la misma temperatura.

NOTA: Represntese, esquemticamente, el proceso en un diagrama P-v.

11. Se considera un cilindro fijo y rgido, de paredes metlicas, provisto de un pistn tambin rgido y que puede desplazarse en el interior del cilindro con rozamiento despreciable. El cilindro contiene 1,36 g de agua que inicialmente, a la presin de 2,00 bar, ocupan un volumen de 233 cm3. El pistn est apoyado sobre unos resaltes y sobre l acta un muelle, de forma que no puede desplazarse hasta que la presin interior alcance un valor mnimo de 10,0 bar. Se transfiere al agua un flujo de calor constante de 250 kJ/min. Determnense: a) el calor suministrado hasta que el pistn comienza a moverse; b) el tiempo transcurrido, en minutos, hasta que el pistn comienza a moverse.

NOTA: Represntese, esquemticamente, el proceso en un diagrama P-v.

12. Un recipiente de paredes rgidas, insuficientemente aislado, contiene 100 L de nitrgeno en equilibrio, inicialmente a 77,24 K, y est dotado de una cpsula de cierre que rompe cuando la presin interior alcanza un valor de 400 kPa. El 91,5 % del volumen est inicialmente ocupado por lquido. El nitrgeno absorbe calor del ambiente a un ritmo de 300 J/min. Hllese el tiempo, en horas, que debe transcurrir hasta la rotura de la cpsula de cierre.

13. Un recipiente de paredes rgidas y trmicamente aisladas, contiene 2,000 kg de agua, que inicialmente ocupan un volumen de 1,000 m3 a 30,00C. Una rueda de paletas situada en el interior del recipiente, movida por un motor, gira a 50,00 rpm con un par aplicado constante de 50,00 Nm, a la vez que una resistencia elctrica, tambin situada en el interior del recipiente, recibe una corriente de 100,0 A desde una fuente de 10,00 V. Determnense:

a) el tiempo, en minutos, requerido para evaporar todo el lquido contenido en el recipiente; a) la presin, en bar, en el interior del recipiente en ese instante. a) 63,10 min b) 3,70 bar14. Un depsito de paredes metlicas, cuyo volumen interior es de 1,0 m3, contiene agua, inicialmente a 10 MPa y 480 C. El agua se enfra hasta que la temperatura alcanza los 320 C. Determnense: a) presin final, en bar; b) calor transferido al ambiente, en kJ

15. Un depsito, de paredes rgidas y trmicamente aisladas, est inicialmente dividido en dos compartimentos mediante un tabique rgido. Uno de ellos contiene 1,0 kg de vapor saturado de agua a 60 bar y el otro est vaco. Se rompe el tabique interior de separacin y el agua se expande por todo el depsito, de modo que la presin final es de 30 bar. Determnese el volumen interior total del depsito.

16. Un recipiente, de paredes rgidas y trmicamente aisladas, se encuentra dividido en dos compartimentos por medio de un tabique interior, tambin rgido y adiabtico. Una de las cmaras contiene 0,50 kg de agua a 20 C y la otra contiene vapor saturado de agua, siendo en ambas la presin de 25 bar. Determnese la masa de agua contenida en la segunda cmara si, al romper el tabique, el estado final del agua es una mezcla lquido vapor con una calidad del 30 % y una presin de 25 bar.

17. Se coloca medio kilogramo de helio en un depsito de paredes rgidas, cuyo volumen interior es de 0,500 m3. Si la temperatura es de 112 C y la presin baromtrica es de 1,0 bar, determnese la lectura, en bar, que indicara un manmetro conectado al depsito. NOTA: Supngase comportamiento de gas ideal.

18. Se necesita almacenar 1.500 kg de propano (C3H8) en un depsito de gas a 42 C y 450 kPa. a) Calclese el volumen interior del depsito, en metros cbicos; b) Si posteriormente se aaden 500 kg de gas, pero la temperatura se mantiene constante, calclese la presin final, en kilopascales. NOTA: Supngase comportamiento de gas ideal.

19. Una determinada cantidad de nitrgeno ocupa inicialmente un volumen de 0,890 m3 a una presin de 2,00 bar y una temperatura de 27,0C. Si se comprime hasta un volumen de 0,356 m3 y una presin de 12,5 bar, calclese: a) la temperatura final, en grados Celsius; b) la masa de gas, en kilogramos; c) la variacin en su energa interna, en kilojulios, utilizando datos de la tabla A.3; d) la variacin en su energa interna, en kilojulios, utilizando datos de la tabla A.6. NOTA: Supngase comportamiento de gas ideal.

20. Un depsito rgido de almacenamiento de agua para una vivienda tiene un volumen interior de 400 L. El depsito contiene inicialmente 300 L de agua a 20 C y 240 kPa. El espacio libre sobre el agua contiene aire a las mismas temperatura y presin. Se bombean muy lentamente otros 50 L de agua al depsito, de manera que la temperatura permanece constante. Determnense: a) la presin final en el depsito, en kilopascales; b) el trabajo comunicado al aire en julios.

21. Se considera un cilindro fijo y rgido, de paredes metlicas, provisto de un pistn tambin rgido y que puede desplazarse en el interior del cilindro con rozamiento despreciable. El cilindro contiene 0,0140 kg de hidrgeno, que inicialmente ocupan un volumen de 100 L a 210 kPa. El hidrgeno intercambia calor con su entorno muy lentamente, de modo que la presin en el interior del cilindro permanezca constante y hasta que el volumen sea el 80 por 100 de su valor inicial. Determnese: a) La temperatura final, en grados Celsius. b) El calor absorbido por el hidrgeno, en kilojulios, utilizando datos de la Tabla de hidrgeno (H2) gas ideal. c) El calor absorbido por el hidrgeno, en kilojulios, utilizando datos de capacidades trmicas del hidrgeno (H2) gas ideal en funcin de la temperatura absoluta.

22. Un depsito de paredes rgidas contiene inicialmente 0,800 g de aire a 295 K y 1,50 bar. Con una fuente de 12,0 V se hace pasar una corriente elctrica de 600 mA, durante 30,0 s, a travs de una resistencia elctrica situada en el interior del depsito. A la vez, tiene lugar una prdida de calor de 156 J. Determnense: a) la temperatura final del gas, en kelvin; b) la presin final, en bar. NOTA: Supngase comportamiento de gas ideal.

23. encerrados inicialmente En el interior del cilindro de un compresor alternativo hay 100 L de aire a 0,950 bar y 67,0 C. El proceso de compresin es cuasiesttico y est representado mediante la ecuacin PV1,3 = constante. El volumen final es de 20,0 L. Determnense: a) la masa de aire, en kilogramos, que se est comprimiendo; b) la temperatura final, en kelvin; c) la variacin en la energa interna del aire, en kilojulios; d) el trabajo mnimo necesario, en kilojulios; e) el calor absorbido por el aire, en kilojulios. NOTA: Supngase comportamiento de gas ideal.

24. En un depsito se almacenan 0,81 kg de nitrgeno a 3,0 bar y 50 C. Mediante una vlvula adecuada, este depsito est conectado a un segundo depsito de 0,50 m3, que inicialmente se encuentra vaco. Ambos depsitos estn perfectamente aislados. Si se abre la vlvula y se permite que se alcance el equilibrio, cul ser la presin final, en bar?. NOTA: Supngase comportamiento de gas ideal.

25. Dos depsitos idnticos, ambos trmicamente aislados y con un volumen interior de 1,0 m3, estn comunicados por medio de una vlvula. Inicialmente la vlvula est cerrada y el depsito A contiene aire a 10 bar y 350 K, mientras que el depsito B contiene aire a 1,0 bar y 300 K. Se abre la vlvula y se permite que se alcance el equilibrio. Determnense la temperatura final, en kelvin, y la presin final, en bar. NOTA: Supngase comportamiento de gas ideal.

26. Se tienen dos depsitos conectados entre s por medio de una vlvula. Inicialmente la vlvula est cerrada y el depsito A contiene 2,0 kg de monxido de carbono gaseoso a 77 C y 0,70 bar, mientras que el depsito B contiene 8,0 kg del mismo gas a 27 C y 1,2 bar. Se abre la vlvula y se permite que se mezclen los contenidos de ambos depsitos, mientras que el monxido de carbono intercambia calor con el ambiente. La temperatura final de equilibrio es de 42 C. Suponiendo comportamiento de gas ideal, determnense la presin final, en bar, y el calor absorbido por el CO, en kilojulios.