4-1C ¿Es siempre cero el trabajo de la frontera asociado con
los sistemas de volumen constante?
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4-2C Un gas ideal se expande de un estado especificado
hasta un volumen final fijo dos veces, primero a presión constante
y después a temperatura constante. ¿Para cuál caso el
trabajo efectuado es mayor?
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4-3C Demuestre que 1 kPa · m3 1 kJ.
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4-4 El volumen de 1 kg de helio, en un dispositivo de cilindro-
émbolo, es 7 m3, en un principio. A continuación, el helio
se comprime hasta 3 m3, manteniendo constante su presión en
150 kPa. Determine las temperaturas inicial y final del helio,
así como el trabajo requerido para comprimirlo, en kJ.
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4-5E Calcule el trabajo total, en Btu, para el proceso 1-3
que se muestra en la figura P4-5E.
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4-6 Calcule el trabajo total, en kJ, producido por el proceso
isotérmico de la figura P4-6 cuando el sistema consiste de 3
kg de oxígeno.
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4-7 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene, al principio,
0.07 m3 de gas de nitrógeno a 130 kPa y 120 °C. Entonces,
el nitrógeno se expande en un proceso politrópico hasta
un estado de 100 kPa y 100 °C. Determine el trabajo de la
frontera efectuado durante este proceso.
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4-8 Un dispositivo de cilindro-émbolo, con un grupo de
topes, contiene inicialmente 0.3 kg de vapor de agua a 1.0
MPa y 400 °C. El lugar de los topes corresponde al 60 por
ciento del volumen inicial. Entonces, se enfría el vapor de
agua. Determine el trabajo de compresión, si el estado final es
a) 1.0 MPa y 250 °C, y b) 500 kPa. c) También determine la
temperatura del estado final en el inciso b).
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4-9 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene en un principio
0.07 m3 de gas de nitrógeno a 130 kPa y 180 °C. A continuación
el nitrógeno se expande hasta alcanzar una presión
de 80 kPa, en un proceso politrópico, con un exponente politrópico
cuyo valor es igual a la relación de calores específicos.
Ésta es la llamada expansión isentrópica. Determine la temperatura
final y el trabajo de la frontera durante este proceso.
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4-10 Se calienta una masa de 5 kg de vapor de agua saturado
a 300 kPa, a presión constante, hasta que la temperatura
llega a 200 °C. Calcule el trabajo efectuado por el vapor de
agua durante este proceso. Respuesta: 165.9 kJ
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4-11 Un dispositivo de cilindro-émbolo sin fricción contiene
al principio 50 L de líquido saturado de refrigerante 134a. El
émbolo tiene libre movimiento, y su masa es tal que mantiene
una presión de 500 kPa sobre el refrigerante. A continuación
se calienta el refrigerante hasta que su temperatura sube a
70 °C. Calcule el trabajo efectuado durante este proceso.
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4-12 Regrese al problema 4-11. Use el programa EES
(u otro) para investigar el efecto de la presión
sobre el trabajo efectuado. Haga variar la presión de 200 a
1 200 kPa. Trace la gráfica del trabajo efectuado en función de
la presión, y describa los resultados. Explique por qué la gráfica
no es lineal. También trace la gráfica del proceso descrito
en el problema 4-12, en el diagrama P-V.
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4-13 Se expande isotérmicamente 1 m3 de agua líquida saturada
a 200 °C en un sistema cerrado hasta que su calidad llega
a 80 por ciento. Determine el trabajo total producido por esta
expansión, en kJ.
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4-14 Una masa de 2.4 kg de aire a 150 kPa y 12 °C está
dentro de un dispositivo de cilindro-émbolo hermético y sin
fricción. A continuación se comprime el aire hasta una presión
final de 600 kPa. Durante el proceso, se retira calor del
aire de tal modo que permanece constante la temperatura en el
interior del cilindro. Calcule el trabajo consumido durante este
proceso. Respuesta: 272 kJ
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4-15 Determine el trabajo de frontera realizado por un gas
durante un proceso de expansión si los valores de presión y
volumen se miden en diversos estados como 300 kPa, 1 L;
290 kPa, 1.1 L; 270 kPa, 1.2 L; 250 kPa, 1.4 L; 220 kPa,
1.7 L, y 200 kPa, 2 L.
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4-16 Durante unos procesos reales de expansión y
compresión en dispositivos de cilindro-émbolo,
se ha observado que los gases satisfacen la relación PVn C,
donde n y C son constantes. Calcule el trabajo efectuado
cuando un gas se expande de 350 kPa y 0.03 m3, hasta un
volumen final de 0.2 m3, para el caso en que n 1.5.
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4-17 Regrese al problema 4-16. Use el programa EES
(u otro) para graficar el proceso descrito en el
problema, en un diagrama P-V, e investigue el efecto del
exponente politrópico n sobre el trabajo de la frontera. Haga
variar el exponente politrópico, de 1.1 a 1.6. Trace la gráfica
del trabajo de la frontera en función del exponente politrópico,
y describa los resultados.
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4-18 Un dispositivo de cilindro-émbolo sin fricción contiene
2 kg de nitrógeno a 100 kPa y 300 K. El nitrógeno se
comprime entonces lentamente, siguiendo la relación PV1.4
constante, hasta que llega a una temperatura final de 360 K.
Calcule el trabajo consumido durante este proceso.
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4-19 La ecuación de estado de un gas es v(P 10/ v2)
RuT, donde las unidades respectivas de v y P
son m3/kmol y kPa. Entonces, 0.2 kmol de este gas se expanden
en un proceso de cuasiequilibrio, de 2 a 4 m3 a una temperatura
constante de 300 K. Determine a) la unidad de la
cantidad 10 en la ecuación, y b) el trabajo efectuado durante
este proceso de expansión isotérmica.
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4-20 Regrese al problema 4-19. Con la función de
integración en el programa EES, calcule el trabajo
efectuado, y compare su resultado con el “calculado a
mano” del problema 4-19. Trace la gráfica del proceso descrito
en el problema en las coordenadas P-v.
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4-21 El dióxido de carbono contenido en un dispositivo de
cilindro-émbolo se comprime de 0.3 a 0.1 m3. Durante el proceso,
la presión y el volumen se relacionan con P av 2,
donde a 8 kPa · m6. Calcule el trabajo efectuado sobre el
dióxido de carbono durante este proceso. Respuesta: 53.3 kJ
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4-22E Durante un proceso de expansión, la presión de un
gas cambia de 15 a 100 psia, siguiendo la relación P aV
b, donde a 5 psia/pie3 y b es una constante. Si el volumen
inicial del gas es 7 pies3, calcule el trabajo efectuado durante
el proceso. Respuesta: 181 Btu
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4-23 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene en un principio
0.25 kg de gas de nitrógeno a 130 kPa y 180 °C. Ahora
se expande isotérmicamente el nitrógeno, hasta una presión de
80 kPa. Determine el trabajo de la frontera, efectuado durante
este proceso.
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4-24 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 0.15
kg de aire, en un principio a 2 MPa y 350 °C. Primero se
expande el aire isotérmicamente hasta 500 kPa, y después
se comprime en un proceso politrópico con un exponente
politrópico de 1.2, hasta la presión inicial; por último, se
comprime a presión constante hasta llegar al estado inicial.
Determine el trabajo de la frontera para cada proceso, y el
trabajo neto del ciclo.
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4-25 1 kg de agua que al principio está a 90 °C, con 10 por
ciento de calidad, ocupa un dispositivo de cilindro-émbolo
con carga de resorte, como el de la figura P4-25. Entonces se
calienta ese dispositivo hasta que la presión sube hasta 800
kPa, y la temperatura es 250 °C. Calcule el trabajo total producido
durante este proceso, en kJ.
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4-26 1.5 kg de agua a 1 MPa tiene inicialmente 30 por
ciento de calidad, y ocupa un dispositivo de cilindro-émbolo
con carga de resorte. Entonces se enfría ese dispositivo, hasta
que el agua es líquido saturado a 100 °C. Calcule el trabajo
total producido durante este proceso, en kJ.
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4-27 Un gas ideal experimenta dos procesos en un dispositivo
de cilindro-émbolo como sigue:
1-2 Compresión politrópica de T1 y P1 con exponente politrópico
n y una relación de compresión de r = V1/V2.
2-3 Expansión a presión constante a P3 = P2 hasta que V3 = V1.
a) Haga un esquema de los procesos en un solo diagrama
P-v.
b) Obtenga una expresión para la relación del trabajo de
compresión al de expansión como función de n y r.
c) Encuentre el valor de esta relación para valores de n =
1.4 y r = 6.
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4-28E Complete cada renglón de la siguiente tabla, con base
en el principio de conservación de la energía para un sistema
cerrado.
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4-29E Un sistema cerrado como el que se muestra en la
figura P4-29E se opera de manera adiabática. Primero, este
sistema realiza 15 000 lb . pie de trabajo. Luego se aplica trabajo
al dispositivo de agitación para elevar la energía interna
del fluido en 10.28 Btu. Calcule el aumento neto en la energía
interna de este sistema.
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4-30E Un sistema cerrado se somete a un proceso en el que
no hay cambio de energía interna. Durante este proceso, el
sistema produce 1.1 106 lb . pie de trabajo. Calcule la transferencia
de calor para este proceso, en Btu.
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4-31 Un recipiente rígido con un agitador contiene 1.5 kg de
aceite para motor. Determine la tasa de aumento en la energía
específica, cuando se transfiere calor al aceite, a la tasa de
1 W, y se aplica 1.5 W de potencia al agitador.
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4-32 Un recipiente rígido bien aislado contiene 2 kg de un
vapor húmedo de agua, a 150 kPa. En un principio, tres cuartos
de la masa están en la fase líquida. Una resistencia eléctrica
colocada en el recipiente se conecta con un suministro de
voltaje de 110 V, y pasa una corriente de 8 A por la resistencia,
al cerrar el interruptor. Determine cuánto tiempo se necesitará
para evaporar todo el líquido en el recipiente. También
muestre el proceso en un diagrama T-V con respecto a líneas
de saturación.
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4-33 Regrese al problema 4-32. Use el programa EES
(u otro) para investigar el efecto de la masa inicial
del agua sobre el tiempo requerido para evaporar por
completo el líquido. Haga variar la masa inicial de 1 a 10 kg.
Trace el tiempo de evaporación en función de la masa inicial,
y describa los resultados.
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4-34 Se condensa isotérmicamente vapor saturado a 200 °C
hasta líquido saturado, en un dispositivo de cilindro-émbolo.
Calcule el calor transferido y el trabajo efectuado durante este
proceso, en kJ/kg.
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4-35 Un recipiente rígido de 10 L contiene inicialmente una
mezcla de agua líquida y vapor a 100 °C con calidad de 12.3
por ciento. Luego se calienta la mezcla hasta que su temperatura
es de 150 °C. Calcule la transferencia de calor necesaria
para este proceso.
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4-36 Una masa fija de vapor saturado de agua a 300 kPa se
enfría isotérmicamente hasta que se convierte en un líquido
saturado. Calcule la cantidad de calor rechazado durante este
proceso, en kJ/kg.
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4-37 Se condensa vapor saturado de agua en un sistema
cerrado, enfriándolo a presión constante hasta un líquido
saturado a 40 kPa. Determine la transferencia de calor y el
trabajo realizado durante este proceso, en kJ/kg.
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4-38 Un dispositivo aislado de cilindro-émbolo contiene 5 L
de agua líquida saturada a una presión constante de 175 kPa.
Una rueda de paletas agita el agua, mientras que pasa una
corriente de 8 A durante 45 min, por una resistencia colocada
en el agua. Si se evapora la mitad del líquido durante este proceso
a presión constante, y el trabajo de la rueda de paletas es
400 kJ, determine el voltaje de suministro. También, muestre
el proceso en un diagrama P-V con respecto a líneas de saturación.
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4-39 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene inicialmente
vapor de agua a 200 kPa, 200 °C y 0.4
m3. En este estado, un resorte lineal (F x) toca el émbolo,
pero no ejerce fuerza sobre él. Entonces, se transfiere calor
lentamente al vapor de agua, haciendo que aumenten su presión
y volumen, hasta 250 kPa y 0.6 m3, respectivamente.
Represente al proceso en un diagrama P-v con respecto a líneas
de saturación, y determine a) la temperatura final, b) el trabajo
efectuado por el vapor de agua y c) el calor total transferido.
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4-40 Regrese al problema 4-39. Use el programa EES
(u otro similar) para investigar el efecto de la
temperatura inicial del vapor de agua sobre la temperatura
final, el trabajo efectuado y el calor total transferido. Haga
variar la temperatura inicial de 150 a 250 °C. Trace los resultados
finales en función de la temperatura inicial y describa
esos resultados.
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4-41 Un radiador eléctrico con 30 L de aceite se coloca
en un recinto de 50 m3. Tanto el recinto como el aceite del
radiador están a 10 °C en un principio. El radiador tiene una
potencia nominal de 1.8 kW, y se enciende. Al mismo tiempo,
se pierde calor del recinto a una tasa promedio de 0.35 kJ/s.
Después de algún tiempo, se mide la temperatura promedio
y resulta 20 °C, para el aire en el recinto, y 50 °C para el
aceite en el radiador. Suponiendo que la densidad y el calor
específico del aceite sean 950 kg/m3 y 2.2 kJ/kg · °C, respectivamente,
determine cuánto tiempo se mantuvo encendido el
calentador. Suponga que el recinto está bien hermetizado, para
que no haya fugas de aire.
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4-42 En un dispositivo de cilindro-émbolo con carga de
resorte está contenido vapor de agua a 75 kPa y 8 por ciento
de calidad, como se ve en la figura P4-42, con un volumen inicial de 2 m3. Entonces se calienta el vapor de agua hasta
que su volumen es 5 m3 y su presión es 225 kPa. Calcule el
calor transferido al vapor de agua, y el trabajo producido por
el mismo, durante este proceso.
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4-43 En un dispositivo de cilindro-émbolo con carga de
resorte hay refrigerante 134a, a 600 kPa y 150 °C, con un
volumen inicial de 0.3 m3. Entonces se enfría el refrigerante,
hasta que su temperatura es 30 °C, y su volumen es 0.1
m3. Determine el calor transferido al refrigerante, y el trabajo
producido por él, durante este proceso. Respuestas: 1 849 kJ
(calor rechazado por el refrigerante), 68.4 kJ (trabajo efectuado
sobre el refrigerante)
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4-44E Se condensa vapor saturado de R-134a a 100 °F,
a presión constante, hasta líquido saturado, en un sistema
cerrado de cilindro-émbolo. Calcule el calor transferido y el
trabajo efectuado durante este proceso, en Btu/lbm.
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4-45 En un dispositivo de cilindro-émbolo con carga constante,
bien aislado, hay 0.8 kg de R-134a líquido saturado, a
una temperatura inicial de 5 °C. Este dispositivo contiene una
resistencia eléctrica, como se ve en la figura P4-45, a la cual se
le aplican 10 volts para hacer pasar una corriente de 2 amperes
por ella. Determine el tiempo que se necesita para que el refrigerante
se convierta en vapor saturado, y la temperatura final
del mismo.
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4-46 Dos recipientes, el recipiente A y el recipiente B, están
separados por una división. En un principio, el tanque A contiene
2 kg de vapor de agua a 1 MPa y 300 °C, mientras que el
recipiente B contiene 3 kg de vapor húmedo de agua, a 150 °C,
con 50 por ciento de fracción de masa de vapor. Entonces se
quita la división, y se deja mezclar los dos lados, hasta que se establece el equilibrio mecánico y térmico. Si la presión
del estado final es 300 kPa, determine a) la temperatura y la
calidad del vapor (si es un vapor húmedo) en el estado final, y
b) la cantidad de calor perdida de los recipientes.
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4-47C En la relación u mcv T, ¿cuál es la unidad
correcta de cv, kJ/kg · °C o kJ/kg · K?
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4-48C La relación u mcv,prom T ¿está restringida a procesos
de volumen constante, o se puede usar en cualquier proceso
de un gas ideal?
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4-49C La relación h mcp,prom T ¿está restringida a procesos
de presión constante, o se puede usar en cualquier proceso
de un gas ideal?
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4-50C ¿Es igual la energía requerida para calentar aire de
295 a 305 K, que la necesaria para calentarlo de 345 a 355 K?
Suponga que en ambos casos la presión permanece constante.
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4-51C Una masa fija de un gas ideal se calienta de 50 a
80 °C a la presión constante de a) 1 atm y b) 3 atm. ¿En qué
caso cree usted que será mayor la energía requerida? ¿Por
qué?
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4-52C Una masa fija de un gas ideal se calienta de 50 a
80 °C al volumen constante e igual a a) 1 m3 y b) 3 m3. ¿En
cuál caso cree usted que será mayor la energía requerida? ¿Por
qué?
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4-53C Cuando se efectúa determinado cambio de temperatura
¿cuál de los dos gases siguientes, aire u oxígeno, tiene
mayor cambio de a) entalpía, h, y b) energía interna, u?
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4-54C Demuestre que c
_
p c
_
v Ru para un gas ideal.
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4-55 ¿Cuál es el cambio en la entalpía, en kJ/kg, de oxígeno
cuando su temperatura cambia de 150 a 200 °C? ¿Habría alguna
diferencia si el cambio de temperatura fuese de 0 a 50 °C? ¿La
presión al principio y al final de este proceso tiene algún efecto
sobre el cambio de entalpía?
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4-56E En un compresor, se comprime aire de 20 psia y 70 °F
a 150 psia. El compresor se opera de tal manera que la temperatura
del aire permanece constante. Calcule el cambio en el
volumen específico del aire al pasar por este compresor.
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4-57 La temperatura de 2 kg de neón aumenta de 20 a 180
°C. Calcule el cambio de energía interna total del neón, en kJ.
¿Sería diferente el cambio de energía interna si se sustituyera
el neón por argón?
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4-58 Calcule el cambio en la entalpía de argón, en kJ/kg,
cuando se enfría de 100 a 25 °C. Si el neón hubiera pasado
por el mismo cambio de temperatura ¿sería diferente su cambio
de entalpía?
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4-59E Calcule el cambio de entalpía del oxígeno h, en
Btu/lbm, cuando se calienta de 800 a 1 500 R, usando a) la
ecuación empírica de calor específico en función de la temperatura
(tabla A-2Ec), b) el valor de cp a la temperatura promedio
(tabla A-2Eb) y c) el valor de cp a la temperatura ambiente
(tabla A-2Ea). Respuestas: a) 170.1 Btu/lbm, b) 178.5 Btu/lbm,
c) 153.3 Btu/lbm
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4-60 Determine el cambio de energía interna u del hidrógeno,
en kJ/kg, cuando se calienta de 200 a 800 K, con a) la
ecuación empírica del calor específico como una función de
la temperatura (tabla A-2c), b) el valor de cv a la temperatura
promedio (tabla A-2b) y c) el valor de cv a temperatura
ambiente (tabla A-2a).
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4-61E El dispositivo de cilindro-émbolo cargado por resorte
que se muestra en la figura P4-61E contiene 1 pie3 de aire. La
constante del resorte es 5 lbf/pulg, y el diámetro del émbolo
es 10 pulg. Cuando el resorte no ejerce ninguna fuerza sobre
el pistón, el estado del aire es 250 psia y 460 °F. Este dispositivo
se enfría ahora hasta que el volumen es la mitad del original.
Determine el cambio en la energía interna específica y en
la entalpía del aire.
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4-62C ¿Es posible comprimir isotérmicamente un gas ideal, en
un dispositivo adiabático de cilindro-émbolo? Explique por qué.
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4-63 Se calienta 1 kg de oxígeno, de 20 a 120 °C. Determine
la transferencia de calor que se requiere cuando eso se
hace en un proceso a) a volumen constante, b) isobárico.
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4-64E Un recipiente rígido contiene 20 lbm de aire a 50
psia y 80 °F. Entonces se calienta el aire hasta que su presión
aumenta al doble. Determine a) el volumen del recipiente y b)
la cantidad de transferencia de calor.
Respuestas: a) 80 pies3, b) 1 898 Btu
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4-65E Determine el cambio de energía interna del aire en un
contenedor rígido al aumentarse su temperatura mediante la
transferencia de 50 Btu/lbm de calor.
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4-66E Gas nitrógeno inicialmente a 20 psia y 100 °F ocupa
un volumen de 1 pie3 en un contenedor rígido provisto de una
rueda de paletas para agitación. Después de que la rueda de
paletas realiza 5 000 lbf · pie de trabajo sobre el nitrógeno,
¿cuál es su temperatura final?
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4-67 Considere como sistema un dispositivo de cilindro-émbolo
que contiene gas nitrógeno. Inicialmente, el sistema está
a 1 MPa y 427 °C. Ahora sufre un proceso isobárico hasta que
su temperatura es 27 °C. Determine la presión final y la transferencia
de calor, en kJ/kg, relativa a este proceso.
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4-68 Se va a calentar un recinto de 4 m 5 m 6 m con
un calentador eléctrico colocado sobre un rodapié. Se desea
que ese calentador pueda elevar la temperatura del recinto de
5 a 25 °C en 11 min. Suponiendo que no hay pérdidas de calor
del recinto, y que la presión atmosférica sea 100 kPa, calcule
la potencia requerida en el calentador. Suponga que los calores
específicos son constantes a la temperatura ambiente.
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4-69 Un alumno vive en un dormitorio de 4 m 6 m
6 m, y enciende su ventilador de 150 W antes de salir de la
habitación, por la mañana en un día de verano, esperando
que al regresar el recinto esté más frío. Suponiendo que todas
las puertas y ventanas estén herméticamente cerradas, y sin
tomar en cuenta transferencias de calor por las paredes y ventanas,
determine la temperatura en el recinto cuando regrese el
estudiante, 10 h después. Use los valores de calor específico
a temperatura ambiente, y suponga que las condiciones de la
habitación eran 100 kPa y 15 °C, cuando salió.
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4-70E Un recipiente adiabático rígido de 3 pies3 está dividido
en dos volúmenes iguales por una membrana delgada,
como se ve en la figura P4-70E. Al principio, una de las cámaras está llena de aire a 100 psia y 100 °F, mientras que
la otra está evacuada. Determine el cambio de energía interna
del aire, cuando se rompe la membrana. También determine la
presión final del aire en el recipiente.
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4-71 Un sistema cerrado contiene 2 kg de aire, y en un proceso
pasa de 600 kPa y 200 °C hasta 80 kPa. Determine el
volumen inicial de este sistema, el trabajo efectuado y el calor
transferido durante el proceso.
Respuestas: 0.453 m3, 547 kJ, 547 kJ
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4-72 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene gas de
argón, y pasa por un proceso isotérmico, de 200 kPa y 100
°C, hasta 50 kPa. Durante el proceso, se transfieren 1.500 kJ
de calor al sistema. Determine la masa de este sistema y la
cantidad de trabajo producido.
Get solution
4-73 Se comprime argón en un proceso politrópico, con
n 1.2, de 120 kPa y 10 °C hasta 800 kPa, en un dispositivo
de cilindro-émbolo. Determine el trabajo producido y el calor
transferido durante este proceso de compresión, en kJ/kg.
Get solution
4-74 Un dispositivo de cilindro-émbolo con resorte contiene 1
kg de dióxido de carbono. Este sistema se calienta de 100 kPa
y 25 °C a 1 000 kPa y 300 °C. Determine la transferencia
total de calor al sistema y el trabajo producido por el sistema.
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4-75 En un dispositivo de cilindro-émbolo con carga variable
y con una rueda de paletas integrada al cilindro, hay aire.
Al principio está a 500 kPa y 27 °C. Entonces se hace girar
la rueda de paletas mediante un motor eléctrico externo, hasta
que se ha transferido al aire la energía de 50 kJ/kg en forma
de trabajo. Durante este proceso se transfiere calor para mantener
constante la temperatura del aire, y al mismo tiempo se
triplica el volumen del gas. Calcule la cantidad requerida de
transferencia de calor, en kJ/kg.
Get solution
4-76 Una masa de 15 kg de aire, en un dispositivo de
cilindro-émbolo, se calienta de 25 a 77 °C, haciendo pasar
corriente por un calentador de resistencia en el interior del
cilindro. La presión dentro del cilindro se mantiene constante
en 300 kPa durante el proceso, y hay una pérdida de calor de
60 kJ. Determine los kWh de energía eléctrica suministrada.
Get solution
4-77 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 1.5 kg
de nitrógeno, inicialmente a 100 kPa y 17 °C. Entonces se
comprime lentamente el nitrógeno, en un proceso politrópico
durante el cual PV1.3 constante, hasta que el volumen se
reduce a la mitad. Determine el trabajo efectuado y la transferencia
de calor para este proceso.
Get solution
4-78 Regrese al problema 4.77. Use el programa EES
(o cualquier otro) para graficar el proceso descrito
allí, en un diagrama P-V, e investigue el efecto del exponente
politrópico n sobre el trabajo de la frontera y el calor transferido.
Haga variar el exponente politrópico de 1.1 a 1.6. Trace
las gráficas de trabajo de la frontera y calor transferido, en función
del exponente politrópico, y describa los resultados.
Get solution
4-79 Un recinto se calienta con un calentador de resistencia.
Cuando las pérdidas de calor del recinto, en un día invernal,
son 6 500 kJ/h, la temperatura del aire en el recinto permanece constante, aun cuando el calentador trabaje continuamente.
Determine la potencia nominal del calentador, en kW.
Get solution
4-80 Un dispositivo de cilindro-émbolo, con un grupo
de topes en su borde superior, contiene 3 kg de
aire a 200 kPa y 27 °C. A continuación se transfiere calor al
aire, y el émbolo sube hasta que llega a los topes, y en ese
punto el volumen es el doble del volumen inicial. Se transfiere
más calor hasta que la presión dentro del cilindro también
aumenta al doble. Calcule el trabajo efectuado y la
cantidad de calor transferido en este proceso. También trace el
proceso en un diagrama P-v.
Get solution
4-81 Un dispositivo de cilindro provisto de un cilindro-pistón
contiene aire. El émbolo descansa inicialmente en un conjunto
de topes, y se necesita una presión de 300 kPa para mover el
émbolo. Inicialmente, el aire está a 100 kPa y 27 °C, y ocupa
un volumen de 0.4 m3. Determine la cantidad de calor que se
transfiere al aire, en kJ, al aumentar la temperatura a 1 200 K.
Suponga que el aire tiene calores específicos constantes evaluados
a 300 K.
Get solution
4-82 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene aire a 600
kPa y 927 °C, y ocupa un volumen de 0.8 m3. El aire experimenta
un proceso isotérmico (temperatura constante) hasta
que la presión se reduce a 300 kPa. El émbolo está ahora
fijado en su lugar, y no se le permite moverse mientras tiene
lugar un proceso de transferencia de calor hasta que el aire
alcanza 27 °C.
a) Haga un esquema del sistema que muestre las energías
que cruzan la frontera y el diagrama P-V para los procesos
combinados.
b) Para los procesos combinados, determine la cantidad neta
de transferencia de calor, en kJ, y su dirección.
Suponga que el aire tiene calores específicos constantes evaluados
a 300 K.
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4-83 Un dispositivo de cilindro provisto de un émbolo contiene
argón. Inicialmente, el argón está a 100 kPa y 27 °C, y
ocupa un volumen de 0.4 m3. El argón se comprime primero
mientras la temperatura se mantiene constante hasta que el
volumen es 0.2 m3. Luego se expande el argón mientras la presión
se mantiene constante, hasta que el volumen es 0.6 m3.
a) Haga un esquema de ambos procesos en un solo diagrama
P-V que muestre la dirección de los procesos y etiquete los
estados finales como 1, 2 y 3.
b) Determine la cantidad total de transferencia neta de calor
al argón, en kJ, durante los procesos combinados.
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4-84 Un gas ideal contenido en un dispositivo cilindro-émbolo
sufre un proceso de compresión isotérmica que comienza
con una presión inicial y un volumen inicial de 100 kPa y 0.6
m3, respectivamente. Durante el proceso, hay una transferencia
de calor de 60 kJ del gas ideal al entorno. Determine el
volumen y la presión al final del proceso.
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4-85 Un bloque de hierro de 1 kg se calienta de 25 a 75 °C.
¿Cuál es el cambio en la energía interna total y en la entalpía
total?
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4-86E El estado de agua líquida cambia de 50 psia y 50 °F
a 2 000 psia y 100 °F. Determine el cambio de energía interna
y entalpía de esa agua, con base en a) las tablas de líquido
comprimido, b) la aproximación para sustancias incompresibles
y las tablas de propiedades, y c) el modelo de calor específico.
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4-87E Durante un día de campo, en un cálido verano, todas
las bebidas refrescantes desaparecieron con rapidez, y las únicas
disponibles estaban al tiempo, a la temperatura ambiente
de 75 °F. Para tratar de enfriar una lata de 12 onzas de bebida,
una persona la toma y comienza a agitarla en el agua helada
de la caja, a 32 °F. Use las propiedades del agua para modelar
la bebida, y determine la masa de hielo que se fundirá para
cuando la bebida se enfríe a 45 °F.
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4-88 Considere una plancha de 1 000 W, cuya base es de
aleación de aluminio 2 024-T6 (r 2 770 kg/m3 y cp 875
J/kg · °C) y de 0.5 cm de espesor. Esa base tiene 0.03 m2 de
superficie. Primero, la plancha está en equilibrio térmico con
el aire ambiente a 22 °C. Suponiendo que el 90 por ciento del calor generado en los alambres de resistencia se transfiera a la
base, determine el tiempo mínimo necesario para que la plancha
llegue a 200 °C.
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4-89 Unas bolas de rodamiento de acero inoxidable (r
8.085 kg/m3 y cp 0.480 kJ/kg · °C) tienen 1.2 cm de diámetro,
y a una razón de 800 bolas por minuto se van a templar
en agua. Las bolas salen del horno a la temperatura uniforme
de 900 °C, están en el aire a 25 °C durante un rato, y se dejan
caer en agua. Si la temperatura de las bolas baja a 850 °C
antes de su temple, determine la tasa de transferencia de calor,
de las bolas al aire.
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4-90 Unas bolas de acero al carbón (r 7 833 kg/m3 y cp
0.465 kJ/kg · °C) de 8 mm de diámetro, se recuecen calentándolas
primero a 900 °C en un horno, y después dejándolas
enfriar lentamente a 100 °C en aire ambiente a 35 °C. Si se
van a recocer 2 500 bolas por hora, determine la tasa de transferencia
total de calor, de las bolas al aire ambiente.
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4-91 Se puede modelar un huevo ordinario como una esfera
de 5.5 cm de diámetro. Al principio, el huevo está a una temperatura
uniforme de 8 °C y se deja caer en agua hirviente, a
97 °C. Si las propiedades del huevo son r 1 020 kg/m3 y
cp 3.32 kJ/kg · °C, determine cuánto calor se transfiere al
huevo para cuando su temperatura media aumenta a 80 °C.
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4-92E En una fábrica, se calientan placas cuadradas de latón
(r 532.5 lbm/pie3 y cp 0.091 Btu/lbm · °F), de 1.2 pulg
de espesor y de 2 pies 2 pies de dimensiones, que comienzan
a una temperatura uniforme de 75 °F, haciéndolas pasar
por un horno a 1 300 °F, 300 piezas por minuto. Si las placas
permanecen en el horno hasta que su temperatura promedio
aumenta a 1 000 °F, determine la tasa de transferencia de calor
a las placas, en el horno.
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4-93 Unas largas barras cilíndricas de acero (r 7 833 kg/
m3 y cp 0.465 kJ/kg · °C), de 78 cm de diámetro, se tratan
térmicamente pasándolas a una velocidad de 2 m/min por un
horno mantenido a 900 °C. Si las barras entran al horno a 30
°C y salen de él a una temperatura media de 700 °C, determine
la tasa de transferencia térmica a las barras en el horno.
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4-94 Un dispositivo electrónico disipa 25 W. Su masa es 20
g y su calor específico es 850 J/kg · °C. Se usa poco, y está
encendido durante 5 min y después apagado durante varias
horas, cuando se enfría a la temperatura ambiente de 25 °C.
Determine la temperatura máxima posible del dispositivo al
final del periodo de operación de 5 min. ¿Cuál sería su respuesta
si ese dispositivo estuviera unido con un sumidero térmico
de aluminio, de 0.5 kg? Suponga que el dispositivo y
el sumidero térmico están prácticamente a la misma temperatura.
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4-95 Regrese al problema 4-94. Con el programa EES
(u otro) investigue el efecto de la masa del sumidero
térmico sobre la temperatura máxima del dispositivo.
Haga variar la masa del sumidero de 0 a 1 kg. Trace la gráfica
de la temperatura máxima en función de la masa del sumidero
térmico, y describa los resultados.
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4-96 Si alguna vez usted ha abofeteado a alguien o ha sido
abofeteado, probablemente recuerde la sensación de quemadura.
Imagine que ha tenido la desgracia de que una persona
enojada lo abofetee, haciendo que la temperatura de su cara
se eleve en 1.8 °C (¡duele!). Suponiendo que la mano que lo
golpeó tiene una masa de 1.2 kg y que alrededor de 0.150 kg
de tejido de la cara y de la mano se afecta por el incidente,
estime la velocidad de la mano un instante antes del impacto.
Tome el calor específico del tejido como 3.8 kJ/kg · K.
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4-97C ¿Qué es metabolismo? ¿Qué es tasa metabólica
basal? ¿Cuál es el valor de la tasa metabólica basal para un
hombre promedio?
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4-98C ¿Es el contenido de energía metabolizable de un alimento
igual a la energía desprendida cuando se quema en una
bomba calorimétrica? Si no es así, ¿en qué difieren?
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4-99C ¿Es una consideración importante la cantidad de probables
ocupantes, para diseñar los sistemas de calefacción y
enfriamiento de los salones de clase? Explique por qué.
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4-100C ¿Qué piensa usted acerca de un programa dietético
que permite ingerir cantidades generosas de pan y arroz, siempre
que no se les agregue mantequilla o margarina?
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4-101 Imagine dos recintos idénticos, uno con un calentador
de resistencia eléctrica de 2 kW, y el otro con tres parejas que
bailan velozmente. ¿En cuál de ellos aumenta la temperatura
del aire con más rapidez?
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4-102 Hay dos personas idénticas, de 80 kg, que comen alimentos
idénticos y hacen cosas idénticas, pero uno de ellos
trota 30 minutos diarios, y el otro contempla la TV. Determine
la diferencia de peso entre los dos, al cabo de un mes.
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4-103 Una mujer pesa 68 kg, y quiere andar en bicicleta
durante una hora. Si va a satisfacer todas sus necesidades
energéticas mientras está en la bicicleta comiendo barras de
chocolate de 30 g, determine cuántas barras necesita llevar
con ella.
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4-104 Una persona de 75 kg cede a la tentación, e ingiere
toda una caja con 1 L de helado. ¿Cuánto tiempo debe trotar
esa persona para quemar las calorías que consumió en el
helado?
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4-105 Un hombre tiene 20 kg de grasa corporal cuando
comienza una huelga de hambre. Determine cuánto tiempo
puede vivir sólo consumiendo su grasa.
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4-106 Hay dos mujeres idénticas, de 50 kg, que hacen cosas
idénticas y comen lo mismo, pero Dulce come papas con cuatro
cucharaditas de mantequilla, mientras que María come las
suyas sin mantequilla, cada noche. Determine la diferencia de
pesos entre Dulce y María, al cabo de un año.
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4-107 Una mujer acostumbraba tomar aproximadamente un
litro de bebida normal de cola diario, y cambia a cola dietética
(cero calorías), y comienza a comer dos rebanadas de pay de
manzana diariamente. ¿Consume más calorías o menos?
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4-108 Una lata de 12 onzas de cerveza normal contiene 13 g
de alcohol y 13 g de carbohidratos; por lo tanto, contiene 150
Cal. Una lata con 12 onzas de cerveza light contiene 11 g de
alcohol y 5 g de carbohidratos; en consecuencia contiene 100
Cal. Una persona promedio quema 700 Cal por hora al hacer
ejercicio en una caminadora. Determine cuánto se tardará en
quemar las calorías que hay en una lata de 12 onzas de a) cerveza
normal y b) cerveza light, en su caminadora.
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4-109 Un señor y una señora, de 190 lb y 110 lb, respectivamente,
fueron a almorzar a un establecimiento de hamburguesas.
El señor pidió un sándwich (720 Cal), papas fritas
(400 Cal) y una Coca grande (225 Cal). La mujer pidió una
hamburguesa simple (330 Cal), papas fritas (400 Cal) y Coca
de dieta (0 Cal). Después del almuerzo, comienzan a palear
nieve y quemar calorías, a una tasa de 360 Cal/h, la mujer, y
480 Cal/h, el señor. Determine cuánto tiempo necesitan palear
nieve para quemar las calorías de su almuerzo.
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4-110 Dos amigos entran diariamente a un restaurante de
hamburguesas para almorzar. Uno pide sándwich doble, papas
fritas grandes y Coca grande (1 600 calorías en total), y el
otro pide sándwich simple, papas fritas normales y una Coca
pequeña (total de calorías 800). Si esos dos amigos se parecen
mucho en todo lo demás, y tienen la misma tasa metabólica,
determine su diferencia de pesos al cabo de un año.
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4-111E Una persona pesa 150 lb, y entra a un restaurante y
pide sándwich de carne asada chico (270 Cal) y otro de carne
asada grande (410 Cal), junto con una lata con 12 onzas de
bebida de Cola (150 Cal). Una persona quema 400 Calorías
por hora al subir las escaleras. Determine cuánto tiempo debe
subir escaleras esta persona para quemar las calorías de su
comida.
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4-112 Una persona come un sándwich grande (530 Cal) y
otra, uno gigante (640 Cal), mientras que una tercera persona
come 50 aceitunas con papas fritas normales (350 Cal) como
almuerzo. Determine quién consume más calorías. Una aceituna
contiene unas 5 Calorías.
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4-113 Un hombre pesa 100 kg, y decide bajar 10 kg sin
bajar su consumo de 4 000 Calorías diarias. En lugar de ello
comienza a nadar, a bailar, a trotar y a andar en bicicleta, cada
actividad durante una hora diaria. Duerme o se relaja durante
el resto del día. Determine cuánto tardará en perder 10 kg.
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4-114 Muchos restaurantes de comida rápida ofrecen hamburguesas,
papas fritas y soda en tamaños gigantes, a precios
de ganga; pero el costo de los tamaños gigantes puede
ser 1.000 calorías adicionales. Determine cuánto peso adicional
puede adquirir mensualmente una persona comiendo un
tamaño gigante diariamente.
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4-115E El intervalo de peso saludable para los adultos se
suele expresar en función del índice de masa corporal (IMC),
que se define, en unidades SI, como sigue:
IMC = W(kg) / H2 (m)2
donde W es el peso (en realidad, la masa) de la persona, en
kg, y H su altura, en m; el intervalo de peso saludable es 19
IMC
25. Convierta esta fórmula a unidades inglesas, de
tal manera que el peso esté en libras y la altura en pulgadas.
También, calcule su propio IMC; si no está en el intervalo
saludable, determine cuántas libras (o kg) necesita ganar o
perder para estar en buenas condiciones.
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4-116 El índice de masa corporal (IMC) de una mujer de
1.60 m de altura, que suele almorzar 3 porciones grandes de
pizza de queso y una Coca de 400 mL, es 30. Decide entonces
cambiar su almuerzo a 2 porciones grandes de pizza y una
Coca de 200 mL. Suponiendo que el déficit de ingestión de
calorías se compensa quemando grasa corporal, determine
cuánto tiempo tardará el IMC de ella en bajar a 20. Use los
datos del texto de contenido calórico, y suponga que el contenido
de energía metabolizable en 1 kg de grasa corporal es
33,100 kJ.
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4-117 ¿Tiene significado el concepto de calor específico (a
volumen constante o a presión constante) para sustancias que
experimentan un cambio de fase? ¿Por qué sí o por qué no?
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4-118 Se calientan 10 kg de nitrógeno, de 20 °C a 250 °C.
Determine la cantidad de calor total necesaria cuando el proceso
es a) a volumen constante y b) isobárico.
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4-119 Considere un salón de clase que pierde calor al exterior
a razón de 12 000 kJ/h. Si hay 40 estudiantes en la clase
y cada uno disipa calor sensible a razón de 84 W, determine si
es necesario encender el calefactor en el salón para evitar que
descienda la temperatura.
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4-120E 2 lbm de aire está dentro de un recipiente rígido,
bien aislado, que contiene una rueda de paletas. El estado inicial
del aire es 30 psia y 60 °F. ¿Cuánto trabajo, en Btu, debe
transferir la rueda de paletas al aire, para elevar su presión a
40 psia? También, ¿cuál es la temperatura final del aire?
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4-121 Se expande aire en un proceso politrópico con n = 1.5,
de 2 MPa y 300 °C a 80 kPa, en un dispositivo de cilindroémbolo.
Determine la temperatura final del aire.
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4-122 Nitrógeno a 100 kPa y 25 °C se calienta en un recipiente
rígido hasta que su presión es 300 kPa. Calcule el trabajo
que se realiza y el calor que se transfiere durante este
proceso, en kJ/kg.
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4-123 Un recipiente rígido bien aislado contiene 3 kg de
agua líquida saturada a 40 °C. El recipiente también contiene
una resistencia eléctrica que pasa 10 amperes cuando se le
aplican 50 volts. Determine la temperatura final en el recipiente,
cuando la resistencia ha estado trabajando durante 30
minutos. Respuesta: 119 °C
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4-124 Deduzca una ecuación general para determinar el trabajo
producido por un gas ideal al pasar por un proceso politrópico
en un sistema cerrado, del estado inicial 1 al estado
final 2. Su resultado debe estar en función de la presión y
temperatura iniciales, y de la presión final, así como de la
constante R del gas y del exponente politrópico n.
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4-125 Un dispositivo de cilindro-émbolo sin fricción contiene
0.15 m3 de aire a 100 kPa. En este estado, un resorte lineal
(F x) toca al émbolo, pero no ejerce fuerza sobre él. El aire
se calienta hasta un estado final de 0.45 m3 y 800 kPa. Determine
a) el trabajo total efectuado por el aire y b) el trabajo
efectuado contra el resorte. También, muestre el proceso en un
diagrama P-v.
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4-126 Dentro de un dispositivo de cilindro-émbolo hay 5
kg de un vapor húmedo de agua a 125 kPa. Al principio hay
2 kg de agua en la fase líquida, y el resto está en la fase de
vapor. Entonces, se transfiere calor al agua; el émbolo, que
descansa en un conjunto de topes, comienza a subir cuando la
presión en el interior llega a 300 kPa. La transferencia de calor
continúa hasta que el volumen total aumenta en 20 por ciento.
Determine a) las temperaturas inicial y final, b) la masa del
agua líquida cuando comienza a subir el émbolo y c) el trabajo
efectuado durante este proceso. También trace el proceso en
un diagrama P-v.
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4-127E Un globo esférico contiene 7 lbm de aire a 30 psia
y 600 R. El material de que está hecho es tal que la presión
en el interior siempre es proporcional al cuadrado del diámetro.
Calcule el trabajo efectuado cuando el volumen del globo
aumenta al doble, como resultado de una transferencia de
calor.
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4-128E Regrese al problema 4-127E. Use la función
de integración del programa EES para determinar
el trabajo efectuado. Compare el resultado con su resultado
“calculado a mano”.
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4-129 En un dispositivo de cilindro-émbolo están contenidos
12 kg de vapor saturado de refrigerante 134a, a 240 kPa.
Entonces se transfieren 300 kJ de calor al refrigerante, a presión
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 70 °C. También muestre el proceso en un diagrama T-v,
con respecto a líneas de saturación.
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4-130 Vapor saturado de agua a 200 °C se condensa como
líquido saturado a 50 °C, en un dispositivo de cilindro-émbolo.
Determine la transferencia de calor para este proceso,
en kJ/kg.
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4-131 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 0.5 m3 de
gas de helio a 150 kPa y 20 °C. Entonces, el helio se comprime
en un proceso politrópico (PVn constante) hasta 400
kPa y 140 °C. Determine el calor perdido o ganado durante
este proceso.
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4-132 En un proceso politrópico se expande gas de nitrógeno,
con n 1.45, de 2 MPa y 1 200 K, a 200 kPa, en un
dispositivo de cilindro-émbolo. ¿Cuánto trabajo se produce, y
cuánto calor se transfiere durante este proceso de expansión,
en kJ/kg?
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4-133 Un dispositivo de cilindro-émbolo sin fricción, y un
recipiente rígido, contienen 12 kg de un gas ideal, cada uno a la
misma temperatura, presión y volumen. Se desea elevar 15 °C
las temperaturas de ambos sistemas. Determine la cantidad de
calor adicional, en comparación con el recipiente rígido, que
se debe suministrar al gas en el cilindro, que se mantiene a
presión constante, para lograr ese resultado. Suponga que la
masa molar del gas es 25.
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4-134 Una casa con calentamiento solar pasivo, pierde calor
al ambiente, a una tasa promedio de 50,000 kJ/h; se mantiene
siempre a 22 °C durante una noche invernal, durante 10 h. La
casa se va a calentar con 50 recipientes de vidrio, y cada uno
de ellos contiene 20 L de agua que se calienta durante el día
hasta 80 °C absorbiendo energía solar. Hay un calentador eléctrico
de respaldo, controlado por termostato, de 15 kW, que se
enciende cuando es necesario para mantener la casa a 22 °C.
a) ¿Cuánto tiempo trabaja el sistema eléctrico esa noche? b)
¿Cuánto tiempo trabajaría el calentador eléctrico esa noche, si
la casa no tuviera calentamiento solar?
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4-135 Un elemento calefactor con resistencia eléctrica de
1.800 W se sumerge en 40 kg de agua a 20 °C. Determine
cuánto tiempo tardará en aumentar la temperatura del agua
hasta 80 °C.
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4-136 Una tonelada (1 000 kg) de agua líquida a 80 °C se
guarda en un recinto bien aislado y bien sellado, de 4 m
5 m 6 m de dimensiones, que está inicialmente lleno de aire
a 15 °C y 95 kPa. Suponiendo que los calores específicos del
agua y del aire son constantes e iguales a los calores específicos
a la temperatura ambiente, determine la temperatura final
de equilibrio en el recinto.
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4-137 Se va a calentar un recinto de 4 m 5 m 6 m de
dimensiones con una tonelada (1 000 kg) de agua líquida contenida
en un tanque que se introduce al recinto lleno de aire.
El recinto pierde calor al exterior, a una tasa promedio de
8.000 kJ/h. Al principio, sus condiciones son 20 °C y 100 kPa,
y siempre se mantiene a una temperatura promedio de 20 °C.
Si el agua caliente debe satisfacer las necesidades de calentamiento
de ese recinto durante 24 horas, determine la temperatura mínima del agua cuando se introduce al recinto. Suponga
que los calores específicos del aire y del agua son constantes e
iguales a los calores específicos a la temperatura ambiente.
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4-138 Se va a determinar el contenido de energía en cierto
alimento, en una bomba calorimétrica que contiene 3 kg de
agua; se queman 2 g de la muestra en presencia de 100 g
de aire, en la cámara de reacción. Si la temperatura del agua
aumenta 3.2 °C cuando se establece el equilibrio, determine
el contenido energético del alimento, en kJ/kg, despreciando
la energía térmica almacenada en la cámara de reacción, y la
energía suministrada por el mezclador. ¿Cuál es el error aproximado
que se comete al despreciar la energía térmica almacenada
en la cámara de reacción?
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4-139 Una persona pesa 68 kg, y su temperatura corporal
promedio es 39 °C; toma 1 L de agua fría a 3 °C, para tratar
de enfriarse. Suponiendo que el calor específico promedio de
ese hombre es 3.6 kJ/kg · °C, calcule la disminución de la temperatura
corporal media de esa persona, debida a esa agua fría.
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4-140 Se va a enfriar un vaso con 0.3 L de agua a 20 °C con
hielo, hasta 5 °C. Determine cuánto hielo se necesita agregar,
en gramos, si está a) a 0 °C y b) a 20 °C. También determine
cuánta agua se necesitaría si el enfriamiento se hiciera
con agua fría a 0 °C. La temperatura de fusión y el calor de
fusión del hielo a la presión atmosférica son 0 °C y 333.7 kJ/
kg, respectivamente, y la densidad del agua es 1 kg/L.
Get solution
4-141 Regrese al problema 4-140. Use el programa
EES (o cualquier otro) para investigar el efecto
de la temperatura inicial del hielo sobre la masa final requerida.
Haga que la temperatura del hielo varíe de 26 a 0 °C.
Grafique la masa de hielo en función de su temperatura inicial,
y describa los resultados.
Get solution
4-142 Un recipiente rígido contiene 0.4 m3 de aire a 400 kPa
y 30 °C, se conecta con una válvula a un dispositivo de cilindroémbolo,
cuyo volumen mínimo es cero. La masa del émbolo
es tal que se requiere una presión de 200 kPa para subirlo.
Entonces, se abre un poco la válvula, y se deja que pase aire
al cilindro, hasta que la presión en el recipiente baje a 200 kPa.
Durante este proceso se intercambia calor con los alrededores,
de tal modo que el aire en su conjunto permanece siempre a
30 °C. Determine el calor transferido en este proceso.
Get solution
4-143 Un recinto lleno de aire de 4 m 4 m 5 m de dimensiones,
bien aislado, está a 10 °C. Entonces se calienta con un
sistema de calefacción que consta de un radiador con vapor de
agua. El volumen del radiador es 15 L, y se llena con vapor
sobrecalentado de agua a 200 kPa y 200 °C. En ese momento, se
deben cerrar las válvulas de entrada y salida. Se usa un ventilador
de 120 W de potencia para distribuir el aire en el recinto. Se
observa que la presión del vapor de agua baja a 100 kPa en 30
min, debido a la transferencia de calor al recinto. Suponga que
el calor específico del aire es constante e igual al calor específico
a la temperatura ambiente, y determine la temperatura promedio
del aire a los 30 min. Suponga que la presión del aire en
el recinto permanece constante en 100 kPa.
Get solution
4-144 Un cilindro horizontal rígido, bien aislado, está dividido
en dos compartimientos por un émbolo que tiene libre
movimiento, pero que no permite el paso de gases entre los dos
lados. En un principio, en un lado del émbolo hay 1 m3 de gas
de N2 a 500 kPa y 120 °C, mientras que el otro lado contiene
1 m3 de gas de He a 500 kPa y 40 °C. Entonces, se establece
el equilibrio térmico en el cilindro, como resultado de la transferencia
de calor a través del émbolo. Use calores específicos
constantes a temperatura ambiente para determinar la temperatura
final de equilibrio en el cilindro. ¿Cuál sería su respuesta si
el émbolo estuviera fijo?
Get solution
4-145 Repita el problema 4-144, suponiendo que el émbolo
está hecho con 8 kg de cobre, e inicialmente está a la temperatura
promedio de los dos gases en sus dos caras.
Get solution
4-146 Regrese al problema 4-145. Use el programa
EES (u otro) para investigar el efecto de la masa
del émbolo de cobre sobre la temperatura final de equilibrio.
Haga variar la masa del émbolo de 1 a 10 kg. Trace la gráfica
de la temperatura final en función de la masa del émbolo, y
describa los resultados.
Get solution
4-147 Un dispositivo aislado de cilindro-émbolo contiene 1.4
kg de agua líquida saturada a 200 °C. Entonces se enciende una
resistencia eléctrica colocada en el cilindro, durante 20 min,
hasta que el volumen aumenta al cuádruple. Determine a) el
volumen del cilindro, b) la temperatura final y c) la potencia
nominal de la resistencia.
Get solution
4-148 Un dispositivo de cilindro-émbolo vertical, de 12
cm de diámetro, contiene un gas ideal a las condiciones del
ambiente: 1 bar y 24 °C. La cara interna del émbolo está a
20 cm del fondo del cilindro. Entonces, un eje externo ejerce
una fuerza sobre el émbolo, que equivale a una entrada de trabajo
de la frontera de 0.1 kJ. La temperatura del gas permanece
constante durante el proceso. Determine a) la cantidad
de calor transferido, b) la presión final en el cilindro y c) la
distancia que se desplaza el émbolo.
Get solution
4-149 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 0.35 kg de
vapor de agua a 3.5 MPa, con 7.4 °C de sobrecalentamiento. A
continuación, el vapor de agua pierde calor a los alrededores,
y el émbolo baja, hasta un conjunto de topes, y en ese punto el
cilindro contiene agua líquida saturada. El enfriamiento continúa
hasta que el cilindro contiene agua a 200 °C. Determine
a) la presión final y la calidad (si es una mezcla); b) el trabajo
de la frontera; c) la cantidad de calor transferido cuando el
émbolo llega a los topes, y d) el calor total transferido.
Get solution
4-150 Un recipiente rígido aislado está dividido en dos compartimientos
de distintos volúmenes. Al principio, cada compartimiento
contiene el mismo gas ideal a idéntica presión,
pero con diferentes temperaturas y masas. Se quita la pared que
divide los dos compartimientos, y se deja que se mezclen los
gases. Suponiendo que los calores específicos son constantes,
deduzca la ecuación más sencilla para determinar la temperatura
de la mezcla, que tenga la forma
donde m3 y T3 son masa y temperatura de la mezcla final, respectivamente.
Get solution
4-151 Las explosiones catastróficas de las calderas de vapor,
durante el siglo XIX y principios del siglo XX, causaron cientos
de muertes, lo que incitó el desarrollo del Código ASME de
Calderas y Recipientes a Presión, en 1915. Si se considera que
el fluido a presión dentro de un recipiente termina por llegar al
equilibrio con sus alrededores poco después de la explosión, el
trabajo que haría un fluido a presión, si se le dejara expandir
adiabáticamente al estado de los alrededores, se puede considerar
que es la energía explosiva del fluido a presión. Debido
al cortísimo tiempo de la explosión, y a la estabilidad aparente
después, se puede considerar que el proceso de explosión es
adiabático, sin cambios de energías cinética o potencial. En
este caso, la ecuación de conservación de energía en sistema
cerrado se reduce a Wsalida m(u1 u2). Entonces, la energía
explosiva Eexp viene a ser
Eexp= m(u1 -u2 )
donde los subíndices 1 y 2 representan el estado del fluido,
antes y después de la explosión, respectivamente. La energía
específica de la explosión, eexp, se suele expresar por unidad
de volumen, y se obtiene dividiendo la cantidad anterior entre
el V total del recipiente:
eexp = u1- u2/v1
donde v1 es el volumen específico del fluido antes de la explosión.
Demuestre que la energía específica de explosión de un
gas ideal, con calor específico constante, es
eexp= P1/k- 1 ( 1-T2/T1)
También, determine la energía total de explosión de 20 m3 de
aire a 5 MPa y 100 °C, cuando los alrededores están a 20 °C.
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4-152 Use las ecuaciones del problema 4-151 para determinar
la energía explosiva de 20 m3 de vapor de agua a 10 MPa
y 500 °C, suponiendo que el vapor se condensa y se convierte
en líquido a 25 °C, después de la explosión. ¿A cuántos kilogramos
de TNT equivale esta energía explosiva? La energía
explosiva aproximada del TNT es 3 250 kJ/kg.
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4-153 Se comprime un kilogramo de dióxido de carbono, de
1 MPa y 200 °C, hasta 3 MPa, en un dispositivo de cilindroémbolo,
arreglado para ejecutar un proceso politrópico PV1.5
constante. Determine la temperatura final, considerando
que el dióxido de carbono es un a) gas ideal, b) gas de van der
Waals.
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4-154 Un kilogramo de dióxido de carbono se comprime
de 1 MPa y 200 °C a 3 MPa, en un dispositivo de cilindroémbolo
preparado para ejecutar proceso politrópico con n =
1.2. Use el factor de compresibilidad para determinar la temperatura
final.
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4-155E Se conectan dos recipientes adiabáticos de 10 pies3
mediante una válvula. Inicialmente, un tanque contiene agua a
450 psia con una calidad de 10 por ciento, mientras el segundo
recipiente contiene agua a 15 psia con una calidad de 75 por
ciento. Ahora se abre la válvula, dejando que el vapor de agua
del recipiente de alta presión se mueva al recipiente de baja
presión, hasta que la presión en ambos recipientes sea igual.
Determine la presión final y la masa final en cada recipiente.
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4-156 Un dispositivo de cilindro-émbolo sin fricción, y un
recipiente rígido, contienen cada uno 3 kmol de un gas ideal
a la misma temperatura, presión y volumen. Se les transfiere
calor, y la temperatura de ambos sistemas sube 10 °C. La
cantidad de calor adicional, en comparación con el recipiente
rígido, que se debe suministrar al gas en el cilindro, que se
mantiene a presión constante, es
a) 0 kJ b) 27 kJ
c) 83 kJ d) 249 kJ
e) 300 kJ
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4-157 El calor específico de un material, expresado en unas
raras unidades, es c 3.60 kJ/kg · °F. El calor específico de
este material, en las unidades SI de kJ/kg · °C, es
a) 2.00 kJ/kg · °C b) 3.20 kJ/kg · °C
c) 3.60 kJ/kg · °C d ) 4.80 kJ/kg · °C
e) 6.48 kJ/kg · °C
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4-158 Un recipiente rígido de 3 m3 contiene gas de nitrógeno
a 500 kPa y 300 K. Entonces, se transfiere calor al
nitrógeno, y su presión se eleva hasta 800 kPa. El trabajo
efectuado durante este proceso es
a) 500 kJ b) 1 500 kJ
c) 0 kJ d ) 900 kJ
e) 2 400 kJ
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4-159 Un recipiente rígido de 0.5 m3 contiene gas de nitrógeno
a 600 kPa y 300 K. Entonces, se comprime isotérmicamente
el gas hasta un volumen de 0.1 m3. El trabajo efectuado
sobre el gas durante este proceso de compresión es
a) 720 kJ b) 483 kJ
c) 240 kJ d ) 175 kJ
e) 143 kJ
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4-160 Un salón bien sellado contiene 60 kg de aire a 200
kPa y 25 °C. Entonces, entra la energía solar al salón, a una
razón promedio de 0.8 kJ/s, mientras que se enciende un ventilador
de 120 W, para hacer circular el aire en el interior. Si
se desprecia la transferencia de calor a través de las paredes,
en 30 min la temperatura en el salón será
a) 25.6 °C b) 49.8 °C
c) 53.4 °C d ) 52.5 °C
e) 63.4 °C
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4-161 Un calentador eléctrico de 2 kW se enciende en un
recinto desocupado por personas, y se mantiene encendido
durante 15 min. La masa de aire en el recinto es 75 kg, y el
recinto está herméticamente sellado, para que no entre ni salga
aire. El aumento de temperatura del aire al pasar los 15 min es
a) 8.5 °C b) 12.4 °C
c) 24.0 °C d) 33.4 °C
e) 54.8 °C
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4-162 Un salón contiene 75 kg de aire a 100 kPa y 15 °C.
En él hay un refrigerador, que consume 250 W de electricidad
cuando está funcionando; también una TV de 120 W, un calentador de resistencia eléctrica de 1.8 kW y un ventilador
de 50 W. Durante un día invernal frío, se observa que el refrigerador,
la TV, el ventilador y la resistencia eléctrica están
trabajando continuamente, pero que la temperatura del aire en
el interior permanece constante. Entonces, la tasa de pérdida
de calor del recinto, en ese día, es
a) 5 832 kJ/h b) 6 192 kJ/h
c) 7 560 kJ/h d) 7 632 kJ/h
e) 7 992 kJ/h
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4-163 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 5 kg de
aire a 400 kPa y 30 °C. Durante un proceso de expansión isotérmica
de cuasiequilibrio, el sistema hace 15 kJ de trabajo
de la frontera y sobre el sistema se efectúan 3 kJ de trabajo de
agitación. Durante este proceso, el calor transferido es
a) 12 kJ b) 18 kJ
c) 2.4 kJ d) 3.5 kJ
e) 60 kJ
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4-164 Un recipiente tiene un calentador de resistencia y un
mezclador; se llena con 3.6 kg de vapor de agua saturado a
120 °C. A continuación, el calentador y el mezclador se ponen
a trabajar, se comprime el vapor de agua, y hay pérdidas de
calor al aire de los alrededores. Al final del proceso, la temperatura
y presión del vapor de agua en el recipiente se miden, y
resultan ser 300 °C y 0.5 MPa. La transferencia neta de energía
al vapor de agua durante este proceso es
a) 274 kJ b) 914 kJ
c) 1 213 kJ d) 988 kJ
e) 1 291 kJ
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4-165 Un paquete con 6 latas de bebida debe enfriarse de
18 °C a 3 °C. La masa de cada bebida enlatada es 0.355 kg.
Se puede considerar que la bebida es agua, y que la energía
almacenada en la propia lata de aluminio es despreciable. La
cantidad de calor transferido de las 6 bebidas enlatadas es
a) 22 kJ b) 32 kJ
c) 134 kJ d) 187 kJ
e) 223 kJ
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4-166 Un vaso contiene 0.45 kg de agua a 20 °C, y se va
a enfriar a 0 °C, agregándole cubos de hielo a 0 °C. El calor
latente de fusión de hielo es 334 kJ/kg, y el calor específico
del agua es 4.18 kJ/kg · °C. La cantidad de hielo que debe
agregarse es
a) 56 gramos b) 113 gramos
c) 124 gramos d) 224 gramos
e) 450 gramos
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4-167 Un calentador de resistencia eléctrica, de 2 kW, se
sumerge en 5 kg de agua, y se enciende y permanece encendido
10 min. Durante el proceso, el agua pierde 300 kJ de
calor. Entonces, el aumento de temperatura del agua es
a) 0.4 °C b) 43.1 °C
c) 57.4 °C d ) 71.8 °C
e) 180 °C
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4-168 Se van a calentar 1.5 kg de agua líquida, de 12 a 95
°C, en una tetera que tiene un elemento calentador de 800 W
en su interior. Se puede suponer que el calor específico del agua es 4.18 kJ/kg · °C, y que durante el calentamiento se
puede ignorar el calor perdido del agua. Entonces, el tiempo
que tarda el agua en llegar a la temperatura indicada es
a) 5.9 min b) 7.3 min
c) 10.8 min d ) 14.0 min
e) 17.0 min
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4-169 Un huevo ordinario tiene 0.1 kg de masa, y su calor
específico es 3.32 kJ/kg · °C; se introduce en agua hirviente a
95 °C. Si la temperatura inicial del huevo es 5 °C, la cantidad
máxima de calor transferido a él es
a) 12 kJ b) 30 kJ
c) 24 kJ d ) 18 kJ
e) infinita
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4-170 Una manzana tiene 0.18 kg de masa, y su calor específico
promedio es 3.65 kJ/kg · °C; se enfría de 22 °C hasta
5 °C. La cantidad de calor transferido desde la manzana es
a) 0.85 kJ b) 62.1 kJ
c) 17.7 kJ d ) 11.2 kJ
e) 7.1 kJ
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4-171 El calor específico de un gas ideal, a presión constante,
es cp 0.9 (2.7 10 4)T (kJ/kg · K), estando T en
kelvin. Para este gas ideal, el cambio de entalpía durante un
proceso en el que la temperatura cambia de 27 a 147 °C, se
aproxima más a
a) 19.7 kJ/kg b) 22.0 kJ/kg
c) 25.5 kJ/kg d ) 29.7 kJ/kg
e) 32.1 kJ/kg
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4-172 El calor específico de un gas ideal a volumen constante
es cv 0.7 (2.7 10 4)T (kJ/kg · K), estando T
en kelvin. El cambio de energía interna para este gas ideal,
cuando tiene un proceso en el que la temperatura cambia de
27 a 127 °C se aproxima más a
a) 70 kJ/kg b) 72.1 kJ/kg
c) 79.5 kJ/kg d ) 82.1 kJ/kg
e) 84.0 kJ/kg
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4-173 Un gas ideal tiene una constante de gas R = 0.3 kJ/
kg · K, y el calor específico a volumen constante es cv = 0.7
kJ/kg · K. Si el gas tiene un cambio de temperatura de 100
°C, elija la respuesta correcta para cada una de los siguientes
casos:
1. El cambio en entalpía es, en kJ/kg,
a) 30 b) 70 c) 100
d) Información insuficiente para determinarlo.
2. El cambio en la energía interna es, en kJ/kg,
a) 30 b) 70 c) 100
d) Información insuficiente para determinarlo.
3. El trabajo realizado es, en kJ/kg,
a) 30 b) 70 c) 100
d) Información insuficiente para determinarlo.
4. La transferencia de calor es, en kJ/kg,
a) 30 b) 70 c) 100
d) Información insuficiente para determinarlo.
5. El cambio en el producto presión-volumen es, en kJ/kg
a) 30 b) 70 c) 100
d) Información insuficiente para determinarlo.
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4-174 Un gas ideal se somete a un proceso de temperatura
constante (isotérmico) en un sistema cerrado. La transferencia
de calor y el trabajo son, respectivamente,
a) 0, –cv ΔT b) cvΔT, 0
c) cp ΔT, RΔT d) R ln(T2/T1), R ln(T2 /T1)
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4-175 Un gas ideal se somete a un proceso de volumen
constante (isocórico) en un sistema cerrado. La transferencia
de calor y el trabajo son, respectivamente,
a) 0, –cv ΔT b) cvΔT, 0
c) cpΔT, RΔT d) R ln(T2/T1), R ln(T2 /T1)
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4-176 Un gas ideal se somete a un proceso de presión constante
(isobárico) en un sistema cerrado. La transferencia de
calor y el trabajo son, respectivamente,
a) 0, –cvΔT b) cvΔT, 0
c) cpΔT, RΔT d) R ln(T2/T1), R ln(T2 /T1)
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4-177 Un gas ideal se somete a un proceso de entropía constante
(isentrópico) en un sistema cerrado. La transferencia de
calor y el trabajo son, respectivamente,
a) 0, –cvΔT b) cvΔT, 0
c) cpΔT, RΔT d) R ln(T2/T1), R ln(T2 /T1)
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