Capítulo 5 - Soluciones Termodinámica Cengel & Boles 7ma edición - Chapter 5 - Solution Cengel Boles.

5-1C Defina los flujos másico y volumétrico. ¿Cómo se relacionan entre sí? Get solution

5-2C ¿Cuándo es estacionario el flujo que pasa por un volumen de control? Get solution

5-3C ¿La cantidad de masa que entra a un volumen de control tiene que ser igual a la cantidad de masa que sale durante un proceso de flujo no estacionario? Get solution

5-4C Considere un dispositivo con una entrada y una salida. Si los flujos volumétricos en la entrada y en la salida son iguales, ¿el flujo por este dispositivo es necesariamente estable? ¿Por qué? Get solution

5-5E Un acumulador neumático acondicionado para mantener una presión constante cuando el aire entra o sale, está ajustado a 200 psia. Inicialmente, el volumen es 0.2 pies3, y la temperatura es 80 °F. Después se agrega aire al acumulador hasta que su volumen es 1 pie3 y su temperatura es 80 °F. ¿Cuánto aire se ha agregado al acumulador? Get solution

5-6E Un compresor de flujo uniforme se usa para comprimir helio de 15 psia y 70 °F en la entrada a 200 psia y 600 °F en la salida. El área de salida y la velocidad son 0.01 pies2 y 100 pies/s, respectivamente, y la velocidad de entrada es de 50 pies/s. Determine el flujo másico y el área de entrada. Respuestas: 0.0704 lbm/s, 0.133 pies2 Get solution

5-7 A una tobera entra aire constantemente a 2.21 kg/m3 y 40 m/s, y sale a 0.762 kg/m3 y 180 m/s. Si el área de entrada de la tobera es 90 cm2, determine a) la tasa de flujo másico por la tobera, y b) el área de salida de ésta. Get solution

5-8 Entra agua a los tubos de una caldera, de 130 mm de diámetro constante, a 7 MPa y 65 °C, y sale a 6 MPa y 450 °C, a una velocidad de 80 m/s. Calcule la velocidad del agua en la entrada de un tubo, y el flujo volumétrico a la entrada. Get solution

5-9 Una secadora de cabello es fundamentalmente un ducto de diámetro constante, donde se colocan algunas capas de resistencias eléctricas. Un pequeño ventilador succiona el aire y lo impulsa pasando por las resistencias, donde se calienta. Si la densidad del aire es 1.20 kg/m3 en la succión, y 0.95 kg/m3 en la salida, determine el aumento porcentual en la velocidad del aire, al pasar por la secadora. Get solution

5-10 Un recipiente rígido de 1 m3 contiene aire cuya densidad es 1.18 kg/m3. Ese recipiente se conecta a un tubo de suministro de alta presión, mediante una válvula. La válvula se abre y se deja entrar aire al recipiente, hasta que la densidad del aire en el recipiente aumenta a 7.20 kg/m3. Determine la masa de aire que ha entrado al recipiente. Respuesta: 6.02 kg Get solution

5-11 Un separador ciclónico como el de la figura P5-11 se usa para eliminar partículas sólidas finas, como ceniza, que estén suspendidas en un flujo de gas. En el sistema de ductos por los cuales fluyen los gases de combustión en una central eléctrica, la fracción másica de cenizas suspendidas en los gases de combustión es 0.001, aproximadamente. Determine los flujos másicos en las dos salidas del separador ciclónico (de gas de combustión y de ceniza) cuando a esa unidad entran 10 kg/s de la mezcla de gases de combustión y ceniza. También determine la cantidad de ceniza recolectada por año. Get solution

5-12 A través del área de 1 m2, entra aire a un motor de avión a 100 kPa y 20 °C, con una velocidad de 180 m/s. Determine el flujo volumétrico, en m3/s, en la entrada del motor, y el flujo másico, en kg/s, en la salida del motor. Get solution

5-13 Un globo de aire caliente, esférico, se llena con aire a 120 kPa y 20 °C, y su diámetro inicial es 5 m. A este globo entra aire a 120 kPa y 20 °C, con una velocidad de 3 m/s, a través de una abertura de 1 m de diámetro. ¿Cuántos minutos tardará el globo en inflarse hasta un diámetro de 15 m, cuando la presión y temperatura del aire en el interior del globo son iguales que las del aire que entra a él? Get solution

5-14 Una bomba aumenta la presión del agua de 70 kPa en la succión, hasta 700 kPa en la descarga. El agua llega a ella a 15 °C, pasando por una abertura de 1 cm de diámetro, y sale por una abertura de 1.5 cm de diámetro. Determine la velocidad del agua en la succión y la descarga, cuando el flujo másico por la bomba es 0.5 kg/s. ¿Cambiarán mucho esas velocidades si la temperatura en la succión aumenta hasta 40 °C? Get solution

5-15 A un tubo de 28 cm de diámetro entra refrigerante 134a, a las condiciones constantes de 200 kPa y 20 °C, con una velocidad de 5 m/s. El refrigerante gana calor al pasar, y sale del tubo a 180 kPa y 40 °C. Determine a) el flujo volumétrico del refrigerante en la entrada, b) el flujo másico del refrigerante, y c) la velocidad y el flujo volumétrico en la salida. Get solution

5-16 Una sala de fumar debe admitir a 15 fumadores. El requisito mínimo de aire fresco para salas de fumar debe ser 30 L/s por persona (ASHRAE, Norma 62, 1989). Determine la tasa de flujo mínima necesaria de aire fresco que se debe suministrar a la sala, y el diámetro del ducto, para que la velocidad no sea mayor de 8 m/s. Get solution

5-17 El requisito mínimo de aire para una construcción residencial se especifica como 0.35 cambios de aire por hora (ASHRAE, Norma 62, 1989). Es decir, debe sustituirse el 35 por ciento de todo el aire que contenga una residencia, por aire fresco de la intemperie, cada hora. Si el requisito de ventilación para una residencia de 3 m de altura y 200 m2 de área de piso se va a cubrir totalmente con un ventilador, determine su capacidad de flujo, en L/min, que debe tener. También determine el diámetro del ducto, para que la velocidad del aire no sea mayor de 4 m/s. Get solution

5-18C ¿Cuáles son los diferentes mecanismos para transferir energía hacia o desde un volumen de control? Get solution

5-19C ¿Qué es energía de flujo? ¿Poseen energía de flujo los fluidos en reposo? Get solution

5-20C ¿Cómo se comparan las energías de un fluido que fluye y un fluido en reposo? Describa las formas específicas de energía asociada en cada caso. Get solution

5-21E Una bomba de agua aumenta su presión, de 10 psia a 50 psia. Determine el trabajo de flujo, en Btu/lbm, que requiere la bomba. Get solution

5-22 Un compresor de aire maneja 6 L de aire a 120 kPa y 20 °C, y lo entrega a 1 000 kPa y 400 °C. Calcule el trabajo de flujo, en kJ/kg, que requiere el compresor. Respuesta: 109 kJ/kg Get solution

5-23E De una olla de presión sale vapor de agua, cuando la presión de operación es 20 psia. Se observa que la cantidad de líquido en la olla bajó 0.6 gal en 45 minutos de haberse establecido condiciones constantes de operación, y el área transversal de la abertura de salida es 0.15 pulg2. Determine a) la tasa de flujo másico del vapor, y su velocidad de salida, b) las energías total y de flujo del vapor, por unidad de masa, y c) la rapidez con la que sale energía de la olla, por medio del vapor. Get solution

5-24 Por un tubo pasa aire en flujo constante, a 300 kPa, 77 °C y 25 m/s, a una tasa de 18 kg/min. Determine a) el diámetro del tubo, b) la tasa de energía de flujo, c) la tasa de transporte de energía por medio de transferencia de masa y d) el error cometido en el inciso c) si se desprecia la energía cinética. Get solution

5-25C Un sistema de flujo estacionario ¿puede implicar un trabajo de la frontera? Get solution

5-26C Un difusor es un dispositivo adiabático que disminuye la energía cinética del fluido al desacelerarlo. ¿Qué sucede con esa energía cinética perdida? Get solution

5-27C La energía cinética de un fluido aumenta a medida que se acelera en una tobera adiabática. ¿De dónde procede esa energía cinética? Get solution

5-28C ¿Es deseable transferir calor hacia o desde el fluido, cuando pasa por una tobera? ¿Cómo afectará la transferencia de calor a la velocidad del fluido en la salida de la tobera? Get solution

5-29 A un difusor adiabático entra aire a 80 kPa y 127 °C, al flujo constante de 6 000 kg/h, y sale a 100 kPa. La velocidad de aire baja de 230 a 30 m/s al pasar por el difusor. Calcule a) la temperatura del aire a la salida, y b) el área de salida del difusor. Get solution

5-30 A una tobera entra aire constantemente a 300 kPa, 200 °C y 45 m/s, y sale a 100 kPa y 180 m/s. El área de entrada de la tobera es 110 cm2. Determine a) el flujo másico por la tobera, b) la temperatura del aire a la salida y c) el área de salida de la tobera. Get solution

5-31 Regrese al problema 5-30. Use el programa EES (u otro) para investigar el efecto que tiene el área de entrada sobre el flujo másico, la temperatura de salida y el área de salida. Haga variar el área de entrada de 50 cm2 a 150 cm2. Trace la gráfica de los resultados finales en función del área de entrada, y describa los resultados. Get solution

5-32E En una turbina de gas, los estatores se diseñan de tal manera que aumentan la energía cinética del gas que pasa por ellos adiabáticamente. El aire entra a un conjunto de esas toberas a 300 psia y 700 °F, a la velocidad de 80 pies/s, y sale a 250 psia y 645 °F. Calcule la velocidad a la salida de las toberas. Get solution

5-33 El difusor de un motor de reacción debe bajar la energía cinética del aire que entra al compresor del motor, sin interacciones de calor o trabajo. Calcule la velocidad a la salida de un difusor, cuando entra a él aire a 100 kPa y 20 °C, con una velocidad de 500 m/s, y el estado en la salida es 200 kPa y 90 °C. Get solution

5-34 A una tobera entra vapor de agua a 400 °C y 800 kPa, con una velocidad de 10 m/s, y sale a 300 °C y 200 kPa, mientras pierde calor a una tasa de 25 kW. Para un área de entrada de 800 cm2, determine la velocidad y el flujo volumétrico del vapor de agua en la salida de la tobera. Get solution

5-35 A una tobera adiabática entra vapor a 3 MPa y 400 °C, con una velocidad de 40 m/s, y sale a 2.5 MPa y 300 m/s. Determine a) la temperatura de salida y b) la relación del área de entrada a la de salida, A1/A2. Get solution

5-36E A un difusor adiabático entra aire a 13 psia y 50 °F, con una velocidad constante de 600 pies/s, y sale con una baja velocidad, a una presión de 14.5 psia. El área de salida del difusor es 4 veces el área de entrada. Determine a) la temperatura del aire a la salida, y b) su velocidad a la salida. Get solution

5-37 A una tobera adiabática entra dióxido de carbono, de una manera estacionaria, a 1 MPa y 500 °C, a una razón de 6.000 kg/h, y sale a 100 kPa y 450 m/s. El área de entrada a la tobera es 40 cm2. Determine a) la velocidad de entrada y b) la temperatura de salida. Respuestas: a) 60.8 m/s, b) 685.8 K Get solution

5-38 A una tobera adiabática entra refrigerante 134a, en régimen estacionario, a 700 kPa y 120 °C, con una velocidad de 20 m/s, y sale a 400 kPa y 30 °C. Determine a) la velocidad del refrigerante a la salida, y b) la relación entre las áreas de entrada y salida, A1/A2. Get solution

5-39 A un difusor entra gas de nitrógeno a 60 kPa y 7 °C, en régimen estacionario, con una velocidad de 275 m/s, y sale a 85 kPa y 27 °C. Determine a) la velocidad del nitrógeno a la salida, y b) la relación entre las áreas de entrada y de salida, A1/A2. Get solution

5-40 Regrese al problema 5-39. Use el programa EES (u otro) para investigar el efecto de la velocidad de entrada sobre la velocidad de salida y la relación de áreas de entrada y salida. Haga variar la velocidad de entrada de 210 a 300 m/s. Trace la gráfica de los resultados finales en función de la velocidad de entrada y describa los resultados. Get solution

5-41 Considere un difusor al que entra refrigerante 134a, como vapor saturado a 800 kPa con una velocidad constante de 120 m/s, y sale a 900 kPa y 40 °C. El refrigerante gana calor a una tasa de 2 kJ/s al pasar por el difusor. Si el área de salida es 80 por ciento mayor que la de entrada, determine a) la velocidad de salida y b) el flujo másico del refrigerante. Get solution

5-42 Considere una tobera a la que le entra vapor de agua de una manera estacionaria a 4 MPa y 400 °C, con una velocidad de 60 m/s y sale a 2 MPa y 300 °C. El área de entrada de la tobera es 50 cm2, y la tobera pierde calor a la tasa de 75 kJ/s. Determine a) el flujo másico del vapor de agua, b) la velocidad de ese vapor a la salida y c) el área de salida de la tobera. Turbinas y compresores Get solution

5-43C Una turbina adiabática está trabajando en estado estacionario. ¿Debe ser igual el trabajo efectuado por la turbina, a la disminución de la energía del vapor que pasa por ella? Get solution

5-44C Un compresor de aire trabaja en estado estacionario. ¿Cómo compararía usted el de flujo volumétrico a la entrada y a la salida del compresor? Get solution

5-45C ¿Aumentará la temperatura del aire al comprimirlo en un compresor adiabático? Get solution

5-46C Alguien propone el siguiente sistema para enfriar una casa durante el verano: comprimir el aire exterior normal, dejarlo enfriar a la temperatura del exterior, pasarlo por una turbina e introducirlo en la casa. Desde el punto de vista termodinámico ¿es lógico el sistema que se propone? Get solution

5-47 Refrigerante R-134a entra a un compresor a 100 kPa y –24 °C, con un flujo de 1.35 m3/min, y sale a 800 kPa y 60 °C. Determine el flujo másico del R-134a, y la entrada de potencia al compresor. Get solution

5-48 Refrigerante 134a entra a un compresor a 180 kPa como vapor saturado, con un flujo de 0.35 m3/min, y sale a 700 kPa. La potencia suministrada al refrigerante durante el proceso de compresión es 2.35 kW. ¿Cuál es la temperatura del R-134a a la salida del compresor? Get solution

5-49 Por una turbina adiabática pasa un flujo estacionario de vapor de agua. Las condiciones iniciales del vapor son 6 MPa, 400 °C y 80 m/s en la entrada, y en la salida son 40 kPa, 92 por ciento de calidad y 50 m/s. El flujo másico del vapor es 20 kg/s. Determine a) el cambio de energía cinética, b) la potencia desarrollada por la turbina y c) el área de entrada de la turbina. Get solution

5-50 Regrese al problema 5-49. Use el programa EES (u otro) para investigar el efecto de la presión en la salida de la turbina sobre la potencia producida por ella. Haga variar la presión en la salida desde 10 hasta 200 kPa. Trace la gráfica de la potencia de la turbina en función de la presión en la salida, y describa los resultados. Get solution

5-51 Considere una turbina adiabática a la que entra vapor de agua a 10 MPa y 500 °C, y sale a 10 kPa, con 90 por ciento de calidad. Despreciando los cambios de energía cinética y potencial, determine el flujo másico necesario para producir 5 MW de potencia de salida. Get solution

5-52 Por una turbina pasa vapor de agua con un flujo constante de 45,000 lbm/h; entra a 1,000 psia y 900 °F, y sale a 5 psia, como vapor saturado. Si la potencia generada por la turbina es 4 MW, calcule la tasa de pérdida de calor del vapor de agua. Get solution

5-53 Un compresor adiabático de aire procesa 10 L/s a 120 kPa y 20 °C, hasta 1 000 kPa y 300 °C. Determine a) el trabajo que requiere el compresor, en kJ/kg, y b) la potencia necesaria para impulsarlo, en kW. Get solution

5-54 A una turbina adiabática entra gas de argón a 1 600 kPa y 450 °C, con una velocidad constante de 55 m/s, y sale a 150 kPa con una velocidad de 150 m/s. El área de entrada de la turbina es 60 cm2. Si la potencia producida por la turbina es 90 kW, determine la temperatura de salida del argón. Get solution

5-55 Se va a comprimir helio, de 120 kPa y 310 K, hasta 700 kPa y 430 K. Durante el proceso de compresión hay una pérdida de calor de 20 kJ/kg. Despreciando los cambios de energía cinética, determine la potencia requerida para un flujo másico de 90 kg/min. Get solution

5-56 A un compresor adiabático entra dióxido de carbono a 100 kPa y 300 K, con un flujo de 0.5 kg/s, y sale a 600 kPa y 450 K. Despreciando los cambios de energía cinética, determine a) el flujo volumétrico del dióxido de carbono en la entrada del compresor y b) la potencia consumida por el compresor. Get solution

5-57 Una turbina de gas adiabática expande aire a 1 300 kPa y 500 °C hasta 100 kPa y 127 °C. A la turbina entra aire por una abertura de 0.2 m2, con una velocidad promedio de 40 m/s, y sale por una abertura de 1 m2. Determine a) el flujo másico de aire por la turbina y b) la potencia que produce esa turbina. Get solution

5-58E Se expande aire en una turbina de gas adiabática de 500 psia y 800 °F hasta 60 psia y 250 °F. Si el flujo volumétrico en la salida es 50 pies3/s, el área de entrada es 0.6 pie2 y el área de salida es 1.2 pie2, determine la potencia que produce esa turbina. Get solution

5-59 Entra vapor a una turbina de flujo uniforme con un flujo másico de 20 kg/s a 600 °C, 5 MPa, y una velocidad despreciable. El vapor se expande en la turbina hasta vapor saturado a 500 kPa, de donde 10 por ciento del vapor se extrae para algún otro uso. El resto del vapor continúa expandiéndose a la salida de la turbina, donde la presión es 10 kPa y la calidad es de 85 por ciento. Si la turbina es adiabática, determine la tasa de trabajo realizado por el vapor durante este proceso. Get solution

5-60 Entra uniformemente vapor a una turbina, con un flujo másico de 26 kg/s y una velocidad despreciable a 6 MPa y 600 °C. El vapor sale de la turbina a 0.5 MPa y 200 °C, con una velocidad de 180 m/s. La tasa de trabajo realizado por el vapor en la turbina se mide como 20 MW. Si el cambio de elevación entre la entrada y la salida de la turbina es despreciable, determine la tasa de transferencia de calor correspondiente a este proceso. Get solution

5-61 Determine el requerimento de potencia para un compresor que comprime helio de 150 kPa y 20 °C a 400 kPa y 200 °C. El helio entra a este compresor a través de un tubo con sección de 0.1 m2 a una velocidad de 15 m/s. ¿Cuál es el aumento en la potencia de flujo durante este proceso? Válvulas de estrangulamiento Get solution

5-62C Alguien dice, basándose en mediciones de temperatura, que la temperatura de un fluido aumenta durante un proceso de estrangulamiento, en una válvula bien aislada, con fricción despreciable. ¿Cómo valora usted esa afirmación? ¿Viola este proceso alguna ley de la termodinámica? Get solution

5-63C ¿Espera usted que la temperatura del aire baje cuando pasa por un proceso estacionario de estrangulamiento? Explique por qué. Get solution

5-64C ¿Espera usted que cambie la temperatura de un líquido en un proceso de estrangulamiento? Explique por qué. Get solution

5-65C Durante un proceso de estrangulación, la temperatura de un fluido baja de 30 a 20 °C. ¿Puede proceder adiabáticamente ese proceso? Get solution

5-66 En algunos sistemas de refrigeración se usa un tubo capilar adiabático para hacer bajar la presión del refrigerante, desde la presión en el condensador hasta la presión en el evaporador. El R-134a entra al tubo capilar como líquido saturado a 50 °C y sale a 20 °C. Determine la calidad del refrigerante en la entrada del evaporador. Get solution

5-67 Una mezcla de líquido y vapor de agua saturados, llamada vapor húmedo, fluye en una línea de suministro de vapor de agua a 2 000 kPa y se estrangula hasta 100 kPa y 120 °C. ¿Cuál es la calidad de vapor de agua en la línea de suministro? Get solution

5-68 Se estrangula el flujo de refrigerante 134a, de 800 kPa y 25 °C, hasta una temperatura de 20 °C. Determine la presión y la energía interna del refrigerante en el estado final. Respuestas: 133 kPa, 80.7 kJ/kg Get solution

5-69 Se estrangula vapor de agua a través de una válvula bien aislada, de 8 MPa y 350 °C hasta 2 MPa. Determine la temperatura final del vapor. Respuesta: 285 °C Get solution

5-70 Regrese al problema 5-69. Use el programa EES (u otro) para investigar el efecto de la presión en la salida, del vapor de agua, sobre la temperatura de salida, después de la estrangulación. Haga variar la presión de salida de 6 a 1 MPa. Trace la gráfica de la temperatura de salida del vapor de agua en función de su presión a la salida, y analice los resultados. Get solution

5-71E Refrigerante R-134a entra a la válvula de expansión de un sistema de refrigeración a 160 psia como líquido saturado, y sale a 30 psia. Determine la temperatura y los cambios de energía interna a través de la válvula. Get solution

5-72C Considere un proceso estacionario en una cámara mezcladora. ¿Bajo qué condiciones la energía transportada al volumen de control, por los flujos que entran, será igual a la energía transportada por el flujo que sale? Get solution

5-73C En un intercambiador de calor que opera de una manera estacionaria se manejan dos flujos distintos de fluidos. ¿Bajo qué condiciones será igual el calor perdido por un fluido igual a la cantidad de calor ganado por el otro? Get solution

5-74C Cuando dos flujos de fluidos se mezclan en una cámara ¿puede ser la temperatura de la mezcla menor que las temperaturas de ambos flujos? Explique por qué. Get solution

5-75 Se mezclan las corrientes caliente y fría de un fluido en una cámara de mezclado rígida. El fluido caliente fluye a la cámara a un flujo másico de 5 kg/s, con una cantidad de energía de 150 kJ/kg. El fluido frío fluye a la cámara a un flujo másico de 15 kg/s y lleva una cantidad de energía de 50 kJ/kg. Hay transferencia de calor al entorno de la cámara de mezclado, en la cantidad de 5.5 kW. La cámara de mezclado opera con flujo estacionario y no gana ni pierde energía ni masa con el tiempo. Determine la energía transportada por la corriente de salida de la cámara de mezclado por la mezcla fluida por unidad de masa de fluido, en kJ/kg. Get solution

5-76 Un flujo de agua caliente a 80 °C entra a una cámara mezcladora a una razón de 0.5 kg/s, y se mezcla con un flujo de agua fría a 20 °C. Se desea que la mezcla salga de la cámara a 42 °C. Calcule el flujo másico de agua fría. Suponga que todos los flujos están a la presión de 250 kPa. Get solution

5-77E Se calienta agua a 65 °F y 20 psia, en una cámara, mezclándola con vapor saturado a 20 psia. Si ambos flujos entran a la cámara mezcladora con el mismo flujo másico, determine la temperatura y la calidad del flujo que sale. Get solution

5-78 Un flujo de refrigerante 134a a 1 MPa y 20 °C se mezcla con otro flujo del mismo refrigerante, a 1 MPa y 80 °C. Si el flujo másico del flujo frío es el doble del flujo caliente, determine la temperatura y la calidad del flujo que sale. Get solution

5-79 Regrese al problema 5-78. Use el programa EES (u otro) para investigar el efecto que tiene el flujo másico de R-134a frío sobre la temperatura y la calidad del flujo que sale. Haga variar la relación de flujos másicos de refrigerante frío a caliente, de 1 a 4. Trace la gráfica de temperatura y calidad de la mezcla en función de la relación de flujos másicos frío entre caliente, y analice los resultados. Get solution

5-80E Se va a condensar vapor de agua a 85 °F en la coraza de un intercambiador de calor. El agua de enfriamiento entra a los tubos a 60 °F con un flujo de 138 lbm/s y sale a 73 °F. Suponiendo que el intercambiador de calor esté bien aislado, determine la tasa de transferencia de calor y la tasa de condensación del vapor de agua. Get solution

5-81 A un condensador de una termoeléctrica entra vapor a 20 kPa y 95 por ciento de calidad, con un flujo másico de 20,000 kg/h. Se va a enfriar con agua de un río cercano, pasándola por los tubos ubicados en el interior del condensador. Para evitar la contaminación térmica, el agua del río no debe tener un aumento de temperatura mayor de 10 °C. Si el vapor debe salir del condensador como líquido saturado a 20 kPa, determine el flujo másico del agua de enfriamiento requerido. Get solution

5-82 En un intercambiador de calor se debe enfriar etilenglicol (cp 2.56 kJ/kg · °C) que tiene un flujo de 3.2 kg/s, de 80 °C a 40 °C, usando agua (cp 4.18 kJ/kg · °C), que entra a 20 °C y sale a 70 °C. Determine a) la tasa de transferencia de calor y b) el flujo másico de agua. Get solution

5-83 Regrese al problema 5-82. Use el programa EES (u otro) para investigar el efecto de la temperatura de entrada del agua de enfriamiento sobre su flujo másico. Haga variar la temperatura de entrada de 10 a 40 °C, y suponga que la temperatura de salida permanece constante. Trace la gráfica del flujo másico de agua en función de la temperatura de entrada, y describa los resultados. Get solution

5-84 Un intercambiador de calor de tubos concéntricos con pared delgada, de contraflujo, se usa para enfriar aceite (cp 2.20 kJ/kg · °C) de 150 a 40 °C, a una razón de 2 kg/s, usando agua (cp 4.18 kJ/kg · °C), que entra a 22 °C, a una razón de 1.5 kg/s. Determine la tasa de transferencia de calor en el intercambiador y la temperatura de salida del agua. Get solution

5-85 El agua fría que va a una regadera (cp 4.18 kJ/kg · °C) entra a 15 °C, a un intercambiador de calor de tubos concéntricos con pared delgada, de contraflujo, a una razón de 0.60 kg/s, y se calienta hasta 45 °C con agua caliente (cp 4.19 kJ/kg · °C) que entra a 100 °C a una razón de 3 kg/s. Determine la tasa de transferencia de calor en el intercambiador y la temperatura de salida del agua caliente. Get solution

5-86 Se va a precalentar aire (cp 1.005 kJ/kg · °C) usando gases de combustión calientes, en un intercambiador de calor de flujos cruzados, antes de entrar a un horno. El aire entra al intercambiador a 95 kPa y 20 °C a una razón de 0.6 m3/s. Los gases de combustión (cp 1.10 kJ/kg · °C) entran a 160 °C a una razón de 0.95 kg/s y salen a 95 °C. Determine la tasa de transferencia de calor al aire y su temperatura de salida. Get solution

5-87E En un calentador de tipo abierto para agua de alimentación se calienta el agua mezclándola con vapor de agua caliente. En una central termoeléctrica hay un calentador de tipo abierto para agua de alimentación, donde se mezclan 0.1 lbm/s de vapor a 10 psia y 200 °F con 2.0 lbm/s de agua de alimentación a 10 psia y 100 °F, para obtener agua de alimentación a 10 psia y 120 °F en la salida. El diámetro del tubo de salida es 0.5 pies. Determine el flujo másico y la velocidad del agua de alimentación a la salida. ¿Serían muy diferentes el flujo másico y la velocidad a la salida, si la temperatura a la salida fuera 180 °F? Get solution

5-88E En un sistema de calentamiento por vapor, se calienta aire pasándolo sobre algunos tubos por los cuales fluye uniformemente vapor. El vapor entra al intercambiador de calor a 30 psia y 400 °F, a una tasa de 15 lbm/ min, y sale a 25 psia y 212 °F. El aire entra a 14.7 psia y 80 °F y sale a 130 °F. Determine el flujo volumétrico del aire a la entrada. Get solution

5-89 Un sistema de acondicionamiento de aire implica mezclar aire frío y aire caliente del exterior, antes de que la mezcla entre a la habitación acondicionada, de manera estacionaria. A la cámara mezcladora, entra aire frío a 7 °C y 105 kPa, con un flujo de 0.75 m3/s, mientras que el aire caliente entra a 34 °C y 105 kPa. La mezcla sale de la habitación a 24 °C. La relación de flujos másicos de aire caliente a frío es 2.2. Use calores específicos variables para determinar a) la temperatura de la mezcla en la entrada de la habitación y b) la tasa de ganancia de calor en ella. Get solution

5-90 Se usarán gases calientes de escape de un motor de combustión interna, para producir vapor saturado a 2 MPa. Los gases de escape entran al intercambiador de calor a 400 °C, con un flujo de 32 kg/min, mientras que el agua entra a 15 °C. El intercambiador de calor no está bien aislado, y se estima que el 10 por ciento del calor cedido por los gases de escape se pierde a los alrededores. Si el flujo másico de gases de escape es 15 veces el del agua, determine a) la temperatura de los gases de escape en la salida del intercambiador de calor y b) la tasa de transferencia de calor al agua. Use las propiedades constantes del calor específico del aire para los gases de escape. Get solution

5-91 Se diseña una unidad de intercambiador de calor con agua helada, para enfriar 5 m3/s de aire a 100 kPa y 30°C, hasta 100 kPa y 18°C, usando agua helada a 8 °C. Determine la temperatura máxima del agua a la salida, cuando su tasa de flujo es 2 kg/s. Get solution

5-92 El condensador de un ciclo de refrigeración es básicamente un intercambiador de calor en el que se condensa un refrigerante mediante la transferencia de calor hacia un fluido a menor temperatura. Entra refrigerante 134a a un condensador a 1 200 kPa y 85 °C, con un flujo de 0.042 kg/s, y sale a la misma presión, subenfriado en 6.3 °C. La condensación se realiza mediante agua de enfriamiento, que experimenta una elevación de temperatura de 12 °C en el condensador. Determine a) la tasa de transferencia de calor al agua en el condensador, en kJ/min, y b) el flujo másico del agua en kg/min. Get solution

5-93 El evaporador de un ciclo de refrigeración es básicamente un intercambiador de calor en el que se evapora un refrigerante mediante la absorción de calor de otro fluido. Entra refrigerante R-22 a un evaporador a 200 kPa, con una calidad de 22 por ciento y un flujo de 2.25 L/h. El R-22 sale del evaporador a la misma presión, sobrecalentado en 5 °C. El refrigerante se evapora absorbiendo calor del aire, cuyo flujo es 0.5 kg/s. Determine a) la tasa de calor absorbido del aire, y b) el cambio de temperatura del aire. Las propiedades del R-22 a la entrada y a la salida del condensador son h1 220.2 kJ/kg, v1 0.0253 m3/kg, y h2 398.0 kJ/kg. Get solution

5-94 Se mezclan dos corrientes másicas del mismo gas ideal en una cámara de flujo uniforme mientras reciben energía por transferencia térmica del entorno. El proceso de mezclado tiene lugar a presión constante, sin trabajo y con cambios despreciables en las energías cinética y potencial. Suponga que el gas tiene calores específicos constantes. a) Determine la expresión para la temperatura final de la mezcla en términos de la tasa de transferencia térmica a la cámara de mezclado y los flujos másicos de entrada y salida. b) Obtenga una expresión para el flujo volumétrico a la salida de la cámara de mezclado en términos de la tasa de transferencia térmica a la cámara de mezclado y los flujos másicos de entrada y salida. c) Para el caso especial de mezclado adiabático, demuestre que el flujo volumétrico de salida es la suma de los dos flujos volumétricos de entrada. Get solution

5-95 Considere argón que fluye en régimen estacionario a un calentador de presión constante a 300 K y 100 kPa, con un flujo másico de 6.24 kg/s. En ese intercambiador se le transfiere calor a una tasa de 150 kW, mientras entra al calentador. a) Determine la temperatura del argón a la salida del calentador, en °C. b) Determine el flujo volumétrico del argón a la salida del calentador, en m3/s. Get solution

5-96 En una caldera, que opera en régimen estacionario, se calienta agua líquida saturada a una presión constante de 2 MPa, a una razón de 4 kg/s, hasta la temperatura de salida de 250 °C. Determine la tasa de transferencia de calor en la caldera. Get solution

5-97E Entra agua a una caldera a 500 psia, como líquido saturado, y sale a 600 °F a la misma presión. Calcule la transferencia térmica por unidad de masa de agua. Get solution

5-98 Para calentar aire, a una razón de 0.3 m3/s, de 100 kPa y 15 °C hasta 100 kPa y 30 °C, se usa un calentador eléctrico de 110 V. ¿Cuánta corriente, en amperes, debe suministrarse a ese calentador? Get solution

5-99E El ventilador de una computadora personal toma 0.5 pies3/s de aire, a 14.7 psia y 70 °F, haciéndolo pasar por la caja que contiene la CPU, y otros componentes. El aire sale a 14.7 psia y 80 °F. Calcule la potencia eléctrica, en kW, que disipan los componentes de la PC. Get solution

5-100 Un ventilador va a enfriar una computadora de escritorio. Los componentes electrónicos de la computadora consumen 60 W, bajo condiciones de plena carga. La computadora debe funcionar en ambientes hasta de 45 °C, y en alturas sobre el nivel del mar hasta de 3 400 m, donde la presión atmosférica promedio es 66.63 kPa. La temperatura de salida del aire no debe ser mayor que 60 °C para cumplir con los requisitos de fiabilidad. También, la velocidad promedio del aire no debe ser mayor de 110 m/min a la salida de la computadora, donde está el ventilador, para mantener bajo el nivel de ruido. Determine el flujo que debe manejar el ventilador y el diámetro de su caja. Get solution

5-101 Repita el problema 5-100 con una computadora que consume 100 W. Get solution

5-102E A los tubos de una placa de enfriamiento entra agua a 70 °F con velocidad promedio de 40 pies/min y sale a 105 °F. El diámetro de los tubos es 0.25 pulg. Suponiendo que el 15% del calor generado por los componentes electrónicos se disipa de los componentes a los alrededores por convección y radiación y que el 85% restante es eliminado por el agua de enfriamiento, determine la cantidad de calor generado por los componentes electrónicos montados sobre la placa de enfriamiento. Get solution

5-103 Los componentes de un sistema electrónico, que disipa 180 W, están dentro de un ducto horizontal de 1.4 m de longitud, cuya sección transversal es de 20 cm 20 cm. Los componentes se enfrían en el ducto mediante aire forzado que entra a 30 °C y 1 atm, con un flujo de 0.6 m3/min, y sale a 40 °C. Determine la tasa de transferencia de calor de las superficies externas del ducto al ambiente. Get solution

5-104 Repita el problema 5-103, con un ducto circular horizontal de 10 cm de diámetro. Get solution

5-105 Una tarjeta de circuitos impresos, de 9 cm de altura y 18 cm de longitud, con un canal hueco en su interior, disipa 15 W en total. El espesor del canal hueco de la tarjeta es 0.25 cm y su ancho es 12 cm. Si el aire de enfriamiento entra al canal a 25 °C y 1 atm, con un flujo de 0.8 L/s, determine la temperatura promedio a la que sale el aire del interior hueco. Get solution

5-106 Una computadora, enfriada mediante un ventilador, contiene ocho tarjetas de circuitos impresos, que disipan 10 W de potencia cada una. La altura de las tarjetas es 12 cm y su longitud es 18 cm. El aire de enfriamiento es suministrado por un ventilador de 25 W montado en la entrada. Si el aumento de temperatura del aire no debe ser mayor que 10 °C al pasar por la caja de la computadora, determine a) la tasa de flujo del aire que debe entregar el ventilador y b) la fracción de aumento de temperatura del aire, debida al calor generado por el ventilador y su motor. Get solution

5-107 A un tramo de 22 m de tubo de hierro fundido, de 2.5 cm de diámetro interior, entra agua caliente a 90 °C, con una velocidad promedio de 0.6 m/s. La superficie externa del tubo está expuesta al aire frío, a 10 °C, que hay en un sótano. Si el agua sale del sótano a 88 °C, determine la tasa de pérdida de calor del agua. Get solution

5-108 Considere nuevamente el problema 5-107. Use el programa EES (u otro) para investigar el efecto del diámetro interior del tubo sobre la tasa de pérdidas de calor. Haga variar el diámetro de 1.5 a 7.5 cm. Trace la gráfica de la pérdida de calor en función del diámetro y describa los resultados. Get solution

5-109 Se va a calentar un recinto de 5 m 6 m 8 m de dimensiones con un calentador eléctrico colocado en el interior de un tramo corto de ducto ubicado dentro del recinto. Al principio, el recinto está a 15 °C y la presión atmosférica local es 98 kPa. El recinto pierde calor en forma constante, al exterior, a una tasa de 200 kJ/min. Un ventilador de 200 W de potencia hace circular el aire, en régimen estacionario, por el ducto de un calentador eléctrico colocado dentro del recinto, a un flujo másico de 50 kg/min. Se puede suponer que el ducto es adiabático y que no hay fugas de aire del recinto. Si se necesitan 15 minutos para que el aire del recinto alcance una temperatura promedio de 25 °C, calcule a) la potencia nominal del calentador eléctrico y b) el aumento de temperatura que tiene el aire cada vez que pasa por el calentador. Get solution

5-110E Las necesidades de agua caliente para una vivienda se van a satisfacer calentando agua a 55 °F, hasta 180 °F, a una razón de 4 lbm/s, con un colector solar parabólico. El agua pasa por un tubo de aluminio de pared delgada, de 1.25 pulg de diámetro, cuya superficie externa está anodizada en negro, para maximizar la absorción solar. El eje del tubo coincide con el eje focal del colector, y alrededor del tubo se coloca una camisa de vidrio para minimizar las pérdidas de calor. Si la energía solar se transfiere al agua con una tasa neta de 400 Btu/h por pie de longitud del tubo, calcule la longitud necesaria del colector parabólico, para satisfacer las necesidades de agua caliente en esta vivienda. Get solution

5-111 Una casa tiene un sistema eléctrico de calefacción, formado por un ventilador de 300 W de potencia y un elemento calefactor de resistencia eléctrica, colocados en un ducto. Por el ducto pasa constantemente aire a un flujo de 0.6 kg/s y su temperatura aumenta 7 °C. La tasa de pérdida de calor del aire en el ducto se estima en 300 W. Determine la potencia del elemento calefactor de resistencia eléctrica. Get solution

5-112 A un tubo horizontal largo, de diámetro D1 12 cm en la entrada, entra vapor de agua a 2 MPa y 300 °C, con 3 m/s de velocidad. Más adelante las condiciones son 800 kPa y 250 °C y el diámetro es D2 =10 cm. Determine a) el flujo másico del vapor y b) la tasa de flujo de calor. Get solution

5-113 A un tubo aislado entra vapor de agua a 200 kPa y 200 °C, y sale a 150 kPa y 150 °C. La relación de diámetros de entrada entre salida para ese tubo es D1/D2 =1.80. Determine las velocidades de entrada y salida del vapor. Get solution

5-114 Al condensador de un refrigerador entra refrigerante 134a a 900 kPa y 60 °C, y sale como líquido saturado a la misma presión. Determine la transferencia de calor desde el refrigerante, por unidad de masa. Get solution

5-115 Se calienta agua líquida saturada, a presión constante, en un dispositivo con flujo estacionario, hasta que se convierte en vapor saturado. Calcule la transferencia de calor, en kJ/kg, cuando la evaporación se hace a 800 kPa. Get solution

5-116 Fluye de manera estacionaria aire a 300 K y 100 kPa en un secador de cabello que tiene una entrada de trabajo eléctrico de 1 500 W. Debido al tamaño de la toma de aire, la velocidad de entrada del aire es despreciable. La temperatura y la velocidad del aire a la salida del secador son 80 °C y 21 m/s, respectivamente. El proceso de flujo es tanto a presión constante como adiabático. Suponga que el aire tiene calores específicos constantes evaluados a 300 K. a) Determine el flujo másico del aire al secador, en kg/s. b) Determine el flujo volumétrico del aire a la salida del secador, en m3/s. Get solution

5-117 Reconsidere el problema 5-116. Usando el software EES (u otro), investigue el efecto de la velocidad de salida sobre el caudal másico y el caudal volumétrico de salida. Deje variar la velocidad de salida de 5 a 25 m/s. Grafique el caudal másico y el caudal volumétrico de salida contra la velocidad de salida, y comente los resultados. Procesos de carga y descarga Get solution

5-118 Un recipiente rígido aislado está evacuado. Se abre una válvula y entra al recipiente aire atmosférico a 95 kPa y 17 °C, hasta que la presión en el recipiente llega a 95 kPa, y en ese momento se cierra la válvula. Determine la temperatura final del aire en el recipiente. Suponga que los calores específicos son constantes. Get solution

5-119 Un recipiente aislado rígido, que inicialmente está evacuado, se conecta con un tubo de suministro de helio a 200 kPa y 120 °C, a través de una válvula. Se abre la válvula y se deja entrar helio a 200 kPa, y en ese momento se cierra la válvula. Determine el trabajo de flujo de helio en el tubo de suministro y la temperatura final del helio en el recipiente. Get solution

5-120 Una botella evacuada de 20 L está rodeada por la atmósfera a 100 kPa y 27 °C. Entonces se abre una válvula en el cuello de la botella y se deja entrar aire en ella. El aire en la botella termina por llegar al equilibrio térmico con la atmósfera, como resultado de transferencia de calor por la pared. La válvula permanece abierta durante el proceso, para que el aire en el interior también llegue al equilibrio mecánico con la atmósfera. Determine la transferencia neta de calor a través de la pared de la botella, durante este proceso de llenado. Get solution

5-121 Un recipiente rígido de 2 m3 contiene aire a 100 kPa y 22 °C. Se conecta el recipiente a una línea de suministro por medio de una válvula. En la línea de suministro fluye aire a 600 kPa y 22 °C. Entonces, se abre la válvula y se deja entrar aire al recipiente, hasta que la presión en su interior llega a la presión de la línea de suministro, y en ese momento se cierra la válvula. Un termómetro instalado en el recipiente indica que la temperatura del aire en el estado final es 77 °C. Determine a) la masa del aire que ha entrado al recipiente y b) la cantidad de transferencia de calor. Get solution

5-122 Get solution

5-123 Un dispositivo de cilindro-émbolo vertical aislado contiene una masa de 10 kg de agua, de la cual 6 kg están en fase de vapor. La masa del émbolo es tal que mantiene una presión constante de 200 kPa dentro del cilindro. Entonces, se deja entrar vapor de agua a 0.5 MPa y 350 °C al cilindro, desde una línea de suministro, hasta que se haya evaporado todo el líquido en el cilindro. Determine a) la temperatura final en el cilindro y b) la masa del vapor que entró. Get solution

5-124E El tanque de aire de un buceador es de 2 pies3 y se va a llenar con aire, desde una línea de suministro de aire comprimido a 120 psia y 100 °F. Al principio, el aire en este tanque está a 20 psia y 70 °F. Suponiendo que el tanque esté bien aislado, determine la temperatura y la masa en el tanque cuando esté lleno a 120 psia. Get solution

5-125 Un sistema de acondicionamiento de aire se llenará desde un recipiente rígido que contiene 5 kg de R-134a líquido, a 24 °C. La válvula que conecta a este recipiente con el sistema de acondicionamiento de aire se abre, hasta que la masa en el recipiente es 0.25 kg, y en ese momento se cierra la válvula. Durante ese tiempo sólo pasa R-134a líquido desde el recipiente. Suponiendo que el proceso sea isotérmico mientras está abierta la válvula, calcule la calidad final del R-134a en el recipiente y la transferencia total de calor. Get solution

5-126E A un hospital se suministra oxígeno desde diez tanques, cada uno con 1.5 pies3 de oxígeno comprimido. Al principio, los tanques están a 1 500 psia y 80 °F. El oxígeno se saca de esos tanques con la lentitud suficiente como para que la temperatura en ellos permanezca en 80 °F. A las dos semanas, la presión es 300 psia. Determine la masa de oxígeno usado y el calor total transferido a los tanques. Get solution

5-127E El émbolo con carga del dispositivo que se ve en la figura P5-127E mantiene en 200 psia la presión dentro del cilindro-émbolo. Al principio, ese sistema no contiene masa. Entonces se abre la válvula y el vapor de agua que pasa por la línea de suministro entra al cilindro, hasta que el volumen es 10 pies3. Este proceso es adiabático, y el vapor de agua en la línea de suministro permanece a 300 psia y 450 °F. Determine la temperatura final (y la calidad, si es el caso) del vapor en el cilindro y el trabajo total producido al llenar este dispositivo. Get solution

5-128E Repita el problema 5-127E cuando la línea de suministro conduce oxígeno a 300 psia y 450 °F. Get solution

5-129 Un recipiente rígido de 0.03 m3 contiene refrigerante 134a a 1 MPa y de 100 por ciento de calidad. Ese recipiente se conecta por medio de una válvula con una línea de suministro que conduce el refrigerante 134a a 1.6 MPa y 36 °C. Entonces, se abre la válvula y se deja que el refrigerante entre al recipiente. Cuando se observa que el recipiente contiene líquido saturado a 1.6 MPa se cierra la válvula. Determine a) la masa del refrigerante que entró al recipiente y b) la cantidad de calor transferido. Get solution

5-130 Un recipiente rígido de 0.3 m3 se llena con agua líquida saturada a 200 °C. En el fondo del recipiente se abre una válvula y se saca líquido del recipiente. Se transfiere calor al agua de tal manera que la temperatura en el interior del recipiente permanece constante. Determine la cantidad de calor que debe transferirse para cuando se ha retirado la mitad de la masa total. Get solution

5-131 Un recipiente rígido de 0.12 m3 contiene refrigerante 134a saturado, a 800 kPa. El 25 por ciento del volumen está ocupado por líquido y el resto, por vapor. Se abre entonces una válvula en el fondo del recipiente y se saca líquido del mismo. Se transfiere calor al refrigerante, de tal manera que la presión en su interior permanezca constante. Cuando ya no queda líquido en el recipiente y comienza a salir vapor, se cierra la válvula. Determine la transferencia total de calor para este proceso. Get solution

5-132E Un recipiente rígido de 2 pies3 contiene refrigerante 134a saturado, a 160 psia. Al principio, el 5 por ciento del volumen está ocupado por líquido y el resto, por vapor. A continuación se abre una válvula en la parte superior del recipiente y se deja escapar vapor, lentamente. Se transfiere calor al refrigerante de tal modo que la presión dentro del recipiente permanezca constante. Cuando se evapora la última gota de líquido del recipiente se cierra la válvula. Determine el calor total transferido para este proceso. Get solution

5-133 Un recipiente rígido de 0.4 m3 contiene refrigerante 134a a 14 °C. En ese estado, el 70 por ciento de la masa del refrigerante está en fase de vapor y el resto, en fase líquida. Se conecta ese recipiente, por medio de una válvula, a una línea de suministro donde fluye, de una manera estacionaria, refrigerante a 1 MPa y 100 °C. Entonces, se abre un poco la válvula y se deja entrar refrigerante al recipiente. Cuando la presión en el recipiente llega a 700 kPa, todo el refrigerante en el recipiente sólo está en fase de vapor. En ese momento se cierra la válvula. Determine a) la temperatura final en el recipiente, b) la masa del refrigerante que entró al recipiente, y c) la transferencia de calor entre el sistema y los alrededores. Get solution

5-134 La tapa de salida de aire de un globo de aire caliente es para sacar aire caliente del globo cuando sea el caso. En uno de esos globos, la abertura de salida del aire tiene 0.5 m2 de área, y la de llenado, de 1 m2. Durante una maniobra adiabática de vuelo, que dura 2 minutos, entra aire caliente al globo, a 100 kPa y 35 °C, con 2 m/s de velocidad; el aire en el interior del globo permanece a 100 kPa y 35 °C; además sale aire del globo, por la tapa de salida, a 1 m/s. Al comienzo de la maniobra, el volumen del globo es 75 m3. Determine el volumen final del globo y el trabajo producido por el aire en su interior, al expandir la superficie del globo. Get solution

5-135 Un recipiente aislado de 0.15 m3 contiene helio a 3 MPa y 130 °C. Se abre una válvula, dejando escapar algo del helio. Cuando la mitad de la masa inicial ha escapado, se cierra la válvula. Determine la temperatura y presión final en el recipiente. Get solution

5-136E Un recipiente rígido aislado, de 60 pies3, contiene aire a 75 psia y 120 °F. Entonces se abre una de sus válvulas y se deja escapar el aire hasta que la presión en el interior baja a 30 psia. Durante este proceso, la temperatura del aire se mantiene constante mediante un calentador eléctrico de resistencia en el interior del recipiente. Determine el trabajo eléctrico efectuado durante este proceso. Get solution

5-137 Un dispositivo de cilindro-émbolo vertical contiene 0.2 m3 de aire a 20 °C. La masa del émbolo es tal que mantiene una presión constante de 300 kPa en el interior. Entonces, se abre una válvula conectada al cilindro y se deja escapar aire hasta que el volumen en el interior disminuye a la mitad. Durante este proceso hay transferencia de calor, para que la temperatura del aire en el cilindro permanezca constante. Determine a) la cantidad de aire que queda en el cilindro y b) la cantidad de transferencia de calor. Get solution

5-138 Un globo contiene 40 m3 de gas de helio a condiciones atmosféricas de 100 kPa y 17 °C. El globo se conecta a través de una válvula con un depósito muy grande, que abastece helio a 125 kPa y 25 °C. Entonces, se abre la válvula y se deja entrar helio al globo, hasta que se llega al equilibrio de presión con el helio en el depósito de suministro. El material del globo es tal que el volumen aumenta en forma lineal con la presión. Si no hay transferencia de calor durante ese proceso, determine la temperatura final en el globo. Get solution

5-139 El aire comprimido en un tanque rígido y aislado, cuyo volumen es 0.5 m3, está a 4 000 kPa y 20 °C. Entonces, del tanque sale el aire suficiente para reducir la presión a 2 000 kPa. Después de ese escape, ¿cuál es la temperatura del aire que queda en el tanque? Get solution

5-140 Un dispositivo de cilindro-émbolo vertical aislado contiene 0.8 m3 de refrigerante 134a a 1.2 MPa y 120 °C. Con un resorte lineal, en ese momento se aplica toda su fuerza al émbolo. Una válvula conectada al cilindro se abre y se deja escapar refrigerante. El resorte se afloja al bajar el émbolo, y la presión y el volumen bajan a 0.6 MPa y 0.5 m3, al final del proceso. Determine a) la cantidad de refrigerante que escapó y b) la temperatura final del refrigerante. Get solution

5-141 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 0.6 kg de vapor de agua, con un volumen de 0.1 m3. La masa del émbolo es tal que mantiene una presión constante de 800 kPa. El cilindro está conectado con una línea de suministro que conduce vapor de agua a 5 MPa y 500 °C, a través de una válvula. Entonces, se abre la válvula y se deja entrar el vapor lentamente al cilindro, hasta que su volumen aumenta al doble y su temperatura llega a 250 °C, y en ese momento se cierra la válvula. Determine a) la masa del vapor de agua que entró y b) la cantidad de calor transferido. Get solution

5-142 Un dispositivo adiabático de cilindro-émbolo equipado con un resorte mantiene la presión en el interior en 300 kPa, cuando el volumen es 0, y en 3 000 kPa, cuando el volumen es 5 m3. El dispositivo se conecta a una línea de suministro de vapor de agua a 1 500 kPa y 200 °C, y al principio el volumen del cilindro es 0. Determine la temperatura final (y la calidad, si es el caso) cuando se abra la válvula y se deje entrar vapor de agua de la línea de suministro al cilindro, hasta que la presión en el interior sea igual a la que hay en la línea. También determine el trabajo total efectuado durante este proceso de llenado adiabático. Get solution

5-143 Repita el problema 5-142 con la línea de suministro de aire a 2 000 kPa y 327 °C. Get solution

5-144 Entra dióxido de carbono gaseoso a una válvula estranguladora a 5 MPa y 100 °C, y sale a 100 kPa. Determine el cambio de temperatura durante este proceso si se supone a) que el CO2 es un gas ideal y b) si se supone que es un gas real. Las propiedades de gas real del CO2 se pueden obtener del EES. Get solution

5-145 Entra helio uniformemente a un tubo, con un flujo másico de 8 kg/s, a 427 °C y 100 kPa, y sale del tubo a 27 °C. La presión durante el proceso es constante a 100 kPa. a) Determine la transferencia térmica para el proceso, en kW. b) Determine el flujo volumétrico del helio a la salida del tubo, en m3/s. Get solution

5-146 Se bombea agua subterránea a un estanque de 6 m 9 m de sección transversal, y simultáneamente se descarga el agua del estanque pasando por un orificio de 7 cm de diámetro, a una velocidad promedio constante de 4 m/s. Si el nivel del agua en el estanque sube con una rapidez de 2.5 cm/min, determine la tasa a la que entra el agua al estanque, en m3/s. Get solution

5-147 A una tobera que tiene relación de áreas de entrada a salida de 2:1, entra aire con 4.18 kg/m3 de densidad y una velocidad de 120 m/s, y sale con 380 m/s. Determine la densidad del aire a la salida. Respuesta: 2.64 kg/m3 Get solution

5-148E En un intercambiador de calor se usa aire caliente para calentar agua fría. A este intercambiador entra aire a 20 psia y 200 °F, con un flujo de 100 pies3/min, y sale a 17 psia y 100 °F. El agua entra a esta unidad a 20 psia y 50 °F, con un flujo de 0.5 lbm/s, y sale a 17 psia y 90 °F. Determine la potencia total de flujo, en hp, que requiere esta unidad, y el trabajo de flujo, en Btu/lbm, para ambos flujos de aire y agua. Get solution

5-149 En un compresor de aire se procesan 15 L/s de aire a 120 kPa y 20 °C, hasta 800 kPa y 300 °C, consumiendo 6.2 kW de potencia. ¿Cuánta de esa potencia se usa para aumentar la presión del aire, comparada con la potencia necesaria para hacer pasar al fluido por el compresor? Get solution

5-150 Una turbina de vapor trabaja con vapor de agua a 1.6 MPa y 350 °C en su entrada, y vapor saturado a 30 °C en su salida. El flujo másico del vapor es 16 kg/s y la turbina produce 9 000 kW de potencia. Determine la rapidez con que se pierde calor a través de la carcasa de esa turbina. Get solution

5-151E Por un tubo largo, de diámetro constante y adiabático, pasa gas de nitrógeno. Entra a 100 psia y 120 °F, y sale a 50 psia y 70 °F. Calcule la velocidad del nitrógeno en la entrada y salida del tubo. Get solution

5-152 Un calentador eléctrico de 110 V calienta agua a una razón de 0.1 L/s de 18 a 30 °C. Calcule la corriente que debe suministrársele, en amperes. Get solution

5-153 Se hierve agua a 100 °C usando una resistencia de 3 kW. Calcule la tasa de evaporación del agua. Get solution

5-154 A un tubo largo y aislado entra vapor de agua a 1,400 kPa, 350 °C y 10 m/s; sale a 1,000 kPa. El diámetro del tubo es 0.15 m en la entrada y 0.1 m a la salida. Calcule el flujo másico de vapor de agua y su velocidad en la salida del tubo. Get solution

5-155 El flujo de aire en un tubo de aire comprimido se divide en dos partes iguales en una conexión te. El aire comprimido entra a esta conexión de 2.5 cm de diámetro, a 1.6 MPa y 40 °C, con una velocidad de 50 m/s. Cada salida tiene el mismo diámetro que la entrada, y en esas salidas la presión del aire es 1.4 MPa y la temperatura es 36 °C. Determine la velocidad del aire en las salidas y la rapidez de cambio de la energía de flujo (la potencia de flujo) a través de la te. Get solution

5-156 A un tubo entra aire a 65 °C y 200 kPa, y sale a 60 °C y 175 kPa. Se estima que se pierde calor del tubo, en la cantidad de 3.3 kJ por kg de aire que pasa en el tubo. La relación de diámetros en ese tubo es D1/D2 1.4. Use calores específicos constantes del aire para determinar su velocidad de entrada y salida. Get solution

5-157 Entra vapor a una tobera a baja velocidad a 150 °C y 200 kPa, y sale como vapor saturado a 75 kPa. Hay una transferencia térmica de la tobera al entorno, de 26 kJ por cada kilogramo de vapor que fluye a través de la tobera. Determine a) la velocidad de salida del vapor y b) el flujo másico del vapor a la entrada de la boquilla, si el área de salida de la boquilla es de 0.001 m2. Get solution

5-158 En una caldera, en la cual se quema el gas natural, hierve agua a 150 °C mientras que los gases calientes de combustión pasan por un tubo de acero inoxidable sumergido en el agua. Si la tasa de transferencia de calor de los gases calientes al agua es 74 kJ/s, determine la tasa de evaporación del agua. Get solution

5-159 A un generador de vapor entra agua fría a 20 °C y sale como vapor saturado a 200 °C. Determine la fracción de calor que se usa en ese generador para precalentar el agua líquida, de 20 °C hasta la temperatura de saturación de 200 °C. Get solution

5-160 A un generador de vapor entra agua fría a 20 °C y sale como vapor saturado a la presión del generador. ¿A qué presión la cantidad de calor necesaria para precalentar el agua a la temperatura de saturación será igual al calor que se necesita para evaporar el agua a la presión del generador? Get solution

5-161 Un gas ideal se expande en una turbina adiabática, de 1.200 K y 900 kPa a 700 K. Determine el flujo volumétrico del gas, a la entrada de la turbina, en m3/s, necesario para que la potencia de la turbina sea 350 kW. Los valores promedio de los calores específicos de este gas, para el intervalo de temperaturas involucradas, son cp 1.13 kJ/kg · K, cv 0.83 kJ/kg · K, y el de la constante del gas es R 0.30 kJ/kg · K. Get solution

5-162 Se van a enfriar pollos, con masa promedio de 2.2 kg, y calor específico promedio de 3.54 kJ/kg · °C, con agua helada que entra a un enfriador de inmersión a 0.5 °C, de flujo continuo. Los pollos se dejan caer al enfriador, a la temperatura uniforme de 15 °C y a una razón de 500 por hora, y se enfrían hasta una temperatura promedio de 3 °C cuando se sacan; el enfriador gana calor de los alrededores a la tasa de 200 kJ/h. Determine a) la tasa de eliminación de calor de los pollos, en kW, y b) el flujo másico, en kg/s, si el aumento de temperatura del agua no debe ser mayor de 2 °C. Get solution

5-163 Repita el problema 5-162, suponiendo que es despreciable la ganancia de calor del enfriador. Get solution

5-164 En una fábrica de lácteos se pasteuriza leche, inicialmente a 4 °C, en forma continua, a 72 °C, con un flujo de 20 L/s durante 24 h por día y 365 días por año. La leche se calienta hasta la temperatura de pasteurización, con agua caliente, calentada en una caldera de gas natural, cuya eficiencia es 90 por ciento. A continuación, la leche pasteurizada es enfriada con agua fría a 18 °C, antes de ser refrigerada de nuevo a 4 °C. Para ahorrar energía y costos, la planta instala un regenerador, cuya eficacia es 82 por ciento. Si el costo del gas natural es 1.10 dólares por termia (1 termia= 105,500 kJ), determine cuánta energía y dinero ahorrará el regenerador a la empresa, por año. Get solution

5-165E Se está diseñando un sistema de refrigeración para enfriar huevos (r 67.4 lbm/pie3 y cp 0.80 Btu/lbm · °F) con una masa promedio de 0.14 lbm, desde una temperatura inicial de 90 °F hasta una temperatura final promedio de 50 °F, usando aire a 34 °F; la capacidad del sistema será de 10,000 huevos/hora. Determine a) la tasa de eliminación de calor de los huevos, en Btu/h, y b) el flujo volumétrico de aire necesario, en pies3/h, si el aumento de temperatura del aire no debe ser mayor que 10 °F. Get solution

5-166 En una lavadora de botellas, el proceso de limpieza se realiza en un recinto ubicado en el suelo, donde se usa el agua caliente a 55 °C. Las botellas entran a una razón de 800 por minuto, a una temperatura ambiente de 20 °C, y salen a la temperatura del agua. La masa de cada botella es 150 g, y saca 0.2 g de agua al salir mojada. Se suministra agua de reposición a 15 °C. Despreciando pérdidas de calor de las superficies externas del recinto, determine la tasa a la que se debe suministrar a) agua de reposición y b) calor, para mantener constante la operación. Get solution

5-167 Se extruyen alambres de aluminio (r = 2 702 kg/m3 y cp = 0.896 kJ/kg · °C) de 5 mm de diámetro, a una temperatura de 350 °C, y se enfrían a 50 °C en aire atmosférico a 25 °C. Si el alambre se extruye a la velocidad de 8 m/min, determine la tasa de transferencia de calor del alambre al recinto de extrusión. Get solution

5-168 Repita el problema 5-167, con un alambre de cobre (r = 8 950 kg/m3 y cp =0.383 kJ/kg · °C). Get solution

5-169 Se condensa vapor a 40 °C, en el exterior de un tubo horizontal de cobre de 3 cm de diámetro y 5 m de longitud con paredes delgadas, debido a agua de enfriamiento que entra al tubo a 25 °C con velocidad promedio de 2 m/s, y sale a 35 °C. Determine la tasa de condensación del vapor. Get solution

5-170E Se mezcla vapor de 60 psia y 350 °F con agua a 40 °F y 60 psia, continuamente en un dispositivo adiabático. El vapor entra con un flujo de 0.05 lbm/s, y el agua entra a razón de 0.05 lbm/s. Determine la temperatura de la mezcla que sale de ese mezclador, cuando la presión en la salida es 60 psia. Get solution

5-171 En un separador de vapor de R-134a, a presión constante, de un vapor húmedo, se separan líquido y vapor en dos flujos separados. Determine la potencia de flujo necesaria para hacer pasar 6 L/s de R-134a a 320 kPa y 55 por ciento de calidad por esa unidad. ¿Cuál es el flujo másico, en kg/s, de los dos flujos que salen? Get solution

5-172E Un pequeño cohete de posicionamiento en un satélite está activado por un recipiente de 2 pies3, lleno con R-134a a 10 °F. En el lanzamiento, el recipiente está totalmente lleno con R-134a líquido saturado. El cohete está diseñado para producir pequeñas descargas de 5 s de duración. Durante cada descarga, el flujo másico que sale del cohete es 0.05 lbm/s. ¿Cuántas descargas puede tener este cohete antes que la calidad en el recipiente sea 90 por ciento o más, suponiendo que la temperatura del contenido del recipiente se mantiene a 10 °F? Get solution

5-173E Durante el inflado y el desinflado de una bolsa de aire de seguridad en un automóvil, el gas entra a la bolsa con un volumen específico de 15 pies3/lbm y a un flujo másico que varía con el tiempo como se ilustra en la figura P5-173E. El gas sale de esta bolsa de aire con un volumen específico de 13 pies3/lbm, con un flujo másico que varía con el tiempo, como se muestra en la figura P5-173E. Grafique el volumen de esta bolsa (es decir, el tamaño de la bolsa) en función del tiempo, en pies3. Get solution

5-174E La presión atmosférica promedio en Spokane, Washington (elevación 2 350 pies) es 13.5 psia, y la temperatura promedio en invierno es 36.5 °F. La prueba de presurización de una casa vieja de 9 pies de altura y 4.500 pies2 de área de piso reveló que la tasa de infiltración promedio estacional de la casa es 2.2 cambios de aire por hora (ACH, por sus siglas en inglés), es decir, todo el aire de la casa se reemplaza por completo 2.2 veces por hora por aire exterior. Se sugiere que la tasa de infiltración de la casa se puede reducir a la mitad, a 1.1 ACH, modificando las puertas y las ventanas. Si la casa se calienta por gas natural con costo unitario de $1.24/termia y la estación de calefacción se toma como seis meses, determine cuánto ahorrará el propietario de la casa en costos de calefacción por año mediante este proyecto de modificación de las puertas y las ventanas. Suponga que la casa se mantiene a 72 °F en todo tiempo y que la eficiencia del calentador de gas natural es 0.92. También suponga que la carga de calor latente durante la estación de calefacción es despreciable. Get solution

5-175 Determine la razón de pérdida de calor sensible de un edificio debido a infiltración si el aire exterior a 5 °C y 90 kPa entra al edificio a razón de 35 L/s cuando el interior se mantiene a 20 °C. Get solution

5-176 En un salón de clase grande, en un cálido día de verano, hay 150 alumnos, y cada uno disipa 60 W de calor sensible. Todas las luces se mantienen encendidas, con su potencia nominal total de 6.0 kW. El salón no tiene paredes externas, por lo que la ganancia de calor a través de sus paredes y techo es despreciable. Se dispone de aire enfriado a 15 °C, y la temperatura del aire extraído no debe ser mayor de 25 °C. Determine la tasa de flujo de aire, en kg/s, que debe suministrarse al salón, para mantener constante su temperatura promedio. Get solution

5-177 Un ventilador está accionado por un motor de 0.5 hp y entrega aire a razón de 85 m3/min. Determine el valor máximo para la velocidad promedio del aire que mueve el ventilador. Tome la densidad del aire como 1.18 kg/m3. Get solution

5-178 Un sistema de acondicionamiento de aire necesita un flujo de aire en el conducto de suministro principal a razón de 130 m3/min. La velocidad promedio del aire en el conducto circular no debe exceder 8 m/s para evitar vibración excesiva y caídas de presión. Suponiendo que el ventilador convierte 80 por ciento de la energía eléctrica que consume en energía cinética del aire, determine el tamaño del motor eléctrico que se necesita para impulsarse el ventilador y el diámetro del conducto principal. Tome la densidad del aire como 1.20 kg/m3. Get solution

5-179 Un compresor adiabático de aire se va a accionar por una turbina adiabática de vapor directamente acoplada con el compresor y que también está accionando un generador. El vapor entra a la turbina a 12.5 MPa y 500 °C a razón de 25 kg/s, y sale a 10 kPa y una calidad de 0.92. El aire entra al compresor a 98 kPa y 295 K a razón de 10 kg/s, y sale a 1 MPa y 620 K. Determine la potencia neta suministrada al generador por la turbina. Get solution

5-180 Determine la potencia consumida por un compresor que comprime helio de 150 kPa y 20 °C a 400 kPa y 200 °C. El helio entra a este compresor por un tubo de 0.1 m2 de sección transversal a una velocidad de 15 m/s. Get solution

5-181 Entra refrigerante R-134a a un compresor, con un flujo másico de 5 kg/s y velocidad despreciable. El refrigerante entra al compresor como vapor saturado a 10 °C y sale del compresor a 1 400 kPa con una entalpía de 281.39 kJ/kg y una velocidad de 50 m/s. La tasa de trabajo realizada sobre el refrigerante se mide como 132.4 kW. Si la diferencia de elevación entre la entrada y la salida es despreciable, determine la tasa de transferencia térmica correspondiente a este proceso, en kW. Get solution

5-182 Los submarinos cambian su profundidad agregando o quitando aire de sus tanques de lastre rígidos para desplazar o admitir agua de mar en dichos tanques. Considere un submarino que tiene un tanque de lastre de 700 m3, que contiene originalmente 100 m3 de aire a 1 500 kPa y 15 °C. Para que el submarino emerja, se bombea aire a 1 500 kPa y 20 °C al tanque de lastre, hasta que esté totalmente lleno de aire. El tanque se llena con tanta rapidez que el proceso es adiabático, y el agua marina sale del tanque a 15 °C. Determine la temperatura final y la masa del aire en el tanque de lastre. Get solution

5-183 En el problema anterior, suponga que se agrega aire al tanque de tal manera que la temperatura y la presión del aire en el tanque permanezcan constantes. Determine la masa final de aire en el tanque de lastre bajo esta condición. También determine la transferencia total de calor mientras el tanque se está llenando de esta manera. Get solution

5-184 Un cilindro de acero contiene inicialmente gas nitrógeno a 200 kPa y 25 °C. El cilindro está conectado a una línea de suministro que contiene nitrógeno a 800 kPa y 25 °C. Se abre una válvula permitiendo que el nitrógeno fluya al interior del cilindro hasta que la presión llega a 800 kPa. El volumen interno del cilindro es 0.1 m3, su masa (sólo del cilindro) es 50 kg y su calor específico es 0.43 kJ/kg · K. Calcule la masa final de nitrógeno en el recipiente y la temperatura final del nitrógeno, suponiendo para el nitrógeno calores específicos constantes a temperatura ambiente, y suponiendo a) ninguna transferencia de calor del nitrógeno al recipiente, y b) transferencia rápida de calor entre el nitrógeno y el recipiente, de tal manera que el cilindro y el nitrógeno permanezcan en equilibrio térmico durante el proceso (con transferencia despreciable de calor del cilindro a su entorno externo). Get solution

5-185 Un recipiente con un volumen interior de 1 m3 contiene aire a 800 kPa y 25 °C. Se abre una válvula en el recipiente permitiendo que escape aire y la presión interna cae rápidamente a 150 kPa, en cuyo punto se cierra la válvula. Suponga que hay transferencia de calor despreciable del recipiente al aire que queda en el recipiente. a) Usando la aproximación he constante he, prom 0.5(h1 + h2), calcule la masa removida durante el proceso. b) Considere el mismo proceso, pero dividido en dos partes; es decir, considere un estado intermedio en P2 400 kPa, calcule la masa removida durante el proceso de P1 800 kPa a P2, y luego la masa removida durante el proceso de P2 a P3 150 kPa, usando el tipo de aproximación que se usó en el inciso a), y sume las dos para obtener la masa total que se removió. c) Calcule la masa removida si la variación de he se toma en cuenta. Get solution

5-186 Una botella de R-134a líquido tiene un volumen interno de 0.001 m3. Inicialmente contiene 0.4 kg de R-134a (vapor húmedo) a 26 °C. Se abre una válvula y se permite sólo al vapor de R-134a (no al líquido) escapar lentamente, de manera que la temperatura permanece constante hasta que la masa de R-134a que queda es 0.1 kg. Encuentre la transferencia de calor necesaria con el entorno para mantener la temperatura y la presión del R-134a constante. Get solution

5-187 Entra vapor estacionariamente a una turbina a 7 MPa y 600 °C con una velocidad de 60 m/s, y sale a 25 kPa con una calidad de 95 por ciento. Durante el proceso ocurre una pérdida de calor de 20 kJ/kg. El área de entrada de la turbina es de 150 cm2, y el área de salida es de 1 400 cm2. Determine a) el flujo másico del vapor; b) la velocidad de salida, y c) la potencia desarrollada. Get solution

5-188 Reconsidere el problema 5-187. Usando software EES (u otro), investigue los efectos del área de salida de la turbina y la presión de salida de la turbina en la velocidad de la salida y la producción de potencia de la turbina. Suponga que la presión de salida varía de 10 a 50 kPa (con la misma calidad), y el área de salida varía de 1 000 a 3 000 cm2. Grafique la velocidad de salida y la potencia desarrollada contra la presión de salida para las áreas de salida de 1 000, 2 000 y 3 000 cm2, y explique los resultados. Get solution

5-189 En las plantas eléctricas grandes de gas, el aire se precalienta por los gases de escape en un intercambiador de calor que se llama regenerador, antes de que entre a la cámara de combustión. El aire entra al regenerador a 1 MPa y 550 K a un flujo másico de 800 kg/min. Se transfiere calor al aire a razón de 3 200 kJ/s. Los gases de escape entran al regenerador a 140 kPa y 800 K, y salen a 130 kPa y 600 K. Tratando los gases de escape como aire, determine a) la temperatura de salida del aire y b) el flujo másico de los gases de escape. Get solution

5-190 Se propone tener un calentador de agua que consiste en un tubo aislado de 5 cm de diámetro, y una resistencia eléctrica en el interior. A la sección de calentamiento entra uniformemente agua fría a 20 °C, a una razón de 30 L/min. Si el agua ha de calentarse a 55 °C, determine a) la potencia nominal del calentador de resistencia y b) la velocidad promedio del agua en el tubo. Get solution

5-191 Un dispositivo aislado vertical de cilindro-émbolo inicialmente contiene 0.11 m3 de aire a 150 kPa y 22 °C. En este estado, un resorte lineal toca el émbolo, pero no ejerce fuerza sobre éste. El cilindro está conectado por una válvula a una línea que suministra aire a 700 kPa y 22 °C. La válvula se abre y se permite que el aire de la línea de alta presión entre al cilindro. La válvula se cierra cuando la presión dentro del cilindro llega a 600 kPa. Si el volumen del cilindro se duplica durante este proceso, determine a) la masa de aire que entró al cilindro y b) la temperatura final dentro del cilindro. Get solution

5-192 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene inicialmente 2 kg de refrigerante 134a a 800 kPa y 80 °C. En este estado, el émbolo toca dos topes en la parte superior del cilindro. La masa del émbolo es tal que se necesita una presión de 500 kPa para moverlo. Se abre una válvula en el fondo del cilindro y sale poco a poco R-134a del cilindro. Después de un tiempo, se observa que el émbolo se mueve, y la válvula se cierra cuando sale la mitad del refrigerante del cilindro y la temperatura del refrigerante cae a 20 °C. Determine a) el trabajo realizado y b) la transferencia de calor. Get solution

5-193 La bomba de un sistema de distribución de agua está accionada por un motor eléctrico de 6 kW cuya eficiencia es 95 por ciento. El flujo de agua por la bomba es 18 L/s. Los diámetros de los tubos de entrada y salida son iguales, y la diferencia de elevación a través de la bomba es despreciable. Si las presiones en la entrada y salida de la bomba son 100 kPa y 300 kPa (absolutas), respectivamente, determine a) la eficiencia mecánica de la bomba y b) la elevación de temperatura del agua cuando fluye por la bomba debido a la ineficiencia mecánica. Get solution

5-194 Las necesidades de agua caliente en una vivienda se satisfacen con un calentador de 60 L, cuyas resistencias eléctricas tienen potencia de 1.6 kW. El tanque de agua caliente está lleno inicialmente con esa agua a 80 °C. Alguien toma un baño de regadera, mezclando un flujo constante de agua caliente del tanque con el flujo de 0.06 kg/s de agua fría a 20 °C. Después de 8 min de funcionar la regadera, se mide la temperatura en el tanque y resulta 60 °C. El calentador permaneció encendido durante el baño, y el agua caliente que se extrajo del tanque se repone con agua fría, con el mismo flujo. Determine el flujo másico de agua caliente que se extrajo del tanque durante el baño y la temperatura promedio de la mezcla de agua que se usó en la regadera. Get solution

5-195 El turbocargador de un motor de combustión interna consiste en una turbina y un compresor. Los gases de escape calientes fluyen por la turbina para producir trabajo, y el trabajo que produce la turbina se usa como trabajo de entrada al compresor. La presión del aire ambiente se aumenta cuando fluye por el compresor antes de entrar a los cilindros del motor. Así, el propósito de un turbocargador es aumentar la presión del aire de modo que entre más aire en el cilindro. En consecuencia, se puede quemar más combustible y el motor puede producir más potencia. En un turbocargador, los gases de escape entran a la turbina a 400 °C y 120 kPa a razón de 0.02 kg/s y salen a 350 °C. El aire entra al compresor a 50 °C y 100 kPa y sale a 130 kPa a razón de 0.018 kg/s. El compresor aumenta la presión del aire con un efecto lateral: también aumenta la temperatura del aire, lo cual incrementa la posibilidad de que un motor de gasolina sufra cascabeleo. Para evitar esto, se coloca un posenfriador después del compresor, para enfriar el aire caliente mediante aire ambiente antes de que entre a los cilindros del motor. Se estima que el posenfriador debe disminuir la temperatura del aire por debajo de 80 °C si se quiere evitar el cascabeleo. El aire ambiente entra al posenfriador a 30 °C y sale a 40 °C. Despreciando cualquier pérdida por fricción en la turbina y el compresor, y tratando los gases de escape como aire, determine a) la temperatura del aire en la salida del compresor y b) el flujo volumétrico mínimo de aire ambiente que se necesita para evitar el cascabeleo. Get solution

5-196 Una olla de presión cuece los alimentos mucho más rápidamente que las ollas ordinarias, manteniendo una presión y una temperatura más altas durante la cocción. La presión dentro de la olla está controlada por un regulador de presión (la válvula de purga) que mantiene la presión a un nivel constante dejando que el vapor escape periódicamente, evitando así que la presión suba excesivamente. Las ollas de presión, en general, mantienen una presión manométrica de 2 atm (o 3 atm absolutas) en su interior. Por lo tanto, las ollas de presión cuecen a una temperatura de alrededor de 133 °C, en vez de 100 °C, lo cual reduce el tiempo de cocción hasta en un 70 por ciento, al mismo tiempo que reducen al mínimo la pérdida de nutrientes. Las ollas de presión más modernas usan una válvula de resorte con varios ajustes de presión, a diferencia de las antiguas que usaban un contrapeso. Cierta olla de presión tiene un volumen de 6 L y una presión de operación de 75 kPa manométricos. Inicialmente, contiene 1 kg de agua. Se suministra calor a la olla de presión a razón de 500 W durante 30 minutos después de alcanzar la presión de operación. Suponiendo una presión atmosférica de 100 kPa, determine a) la temperatura a la cual tiene lugar la cocción y b) la cantidad de agua que queda en la olla de presión al final del proceso. Respuestas: a) 116.04 °C, b) 0.6 kg Get solution

5-197 Un tanque de diámetro D0 = 10 m se llena inicialmente con agua hasta 2 m arriba del centro de una válvula de diámetro D = 10 cm cerca del fondo. La superficie del tanque está abierta a la atmósfera, y el tanque drena por un tubo de longitud L = 100 m conectado a la válvula. El factor de fricción del tubo se da como f = 0.015, y la velocidad de descarga se expresa como  

donde z es la altura del agua arriba del centro de la válvula. Determine a) la velocidad inicial de descarga del tanque y b) el tiempo necesario para vaciar el tanque. El tanque se puede considerar vacío cuando el nivel del agua cae hasta la altura del centro de la válvula. Get solution

5-198 La velocidad de un líquido que fluye en un tubo circular de radio R varía de 0 en la pared a un máximo en el centro del tubo. La distribución de velocidades en el tubo se puede representar como V(r) donde r es la distancia radial del centro del tubo. Con base en la definición de caudal másico m . , obtenga una relación para la velocidad promedio en términos de V(r), R y r. Get solution

5-199 Se mezclan dos flujos del mismo gas ideal, a distintos flujos másicos y temperaturas, en un mezclador adiabático, que opera de una manera estacionaria. Suponiendo que los calores específicos sean constantes, desarrolle la ecuación más sencilla para calcular la temperatura de la mezcla, escrita en la forma Get solution

5-200 Un contenedor rígido lleno de un gas ideal se calienta mientras se deja escapar gas de modo que la temperatura del gas que queda en el contenedor permanezca constante. Este contenedor tiene una sola salida. Deduzca una expresión para el flujo másico a la salida como función de la tasa de cambio de presión en el contenedor. Get solution

5-201 Considere una botella rígida al vacío de volumen V rodeada por la atmósfera a la presión P0 y la temperatura T0. Ahora se abre una válvula en el cuello de la botella y se deja entrar el aire atmosférico a la botella. El aire atrapado en la botella llega finalmente a un equilibrio térmico con la atmósfera como resultado de la transferencia de calor a través de la pared de la botella. La válvula permanece abierta durante el proceso, de modo que el aire atrapado alcanza el equilibrio mecánico con la atmósfera. Determine la transferencia térmica neta a través de la pared de la botella durante este proceso de llenado, en términos de las propiedades del sistema y de la atmósfera circundante. Problemas para el examen de fundamentos de ingeniería Get solution

5-202 Se acelera vapor por una tobera, de una manera estacionaria, de una velocidad baja a una velocidad de 280 m/s, a razón de 2.5 kg/s. Si la temperatura y la presión del vapor a la salida de la tobera son 400 °C y 2 MPa, el área de salida de la tobera es a) 8.4 cm2 b) 10.7 cm2 c) 13.5 cm2 d) 19.6 cm2 e) 23.0 cm2 Get solution

5-203 Entra vapor, de una manera estacionaria, a un difusor a 0.5 MPa, 300 °C y 122 m/s a una razón de 3.5 kg/s. El área de entrada del difusor es a) 15 cm2 b) 50 cm2 c) 105 cm2 d) 150 cm2 e) 190 cm2 Get solution

5-204 Un intercambiador de calor adiabático se usa para calentar agua fría a 15 °C que entra a una razón de 5 kg/s, mediante aire caliente a 90 °C que entra también a razón de 5 kg/s. Si la temperatura de salida del aire caliente es 20 °C, la temperatura de salida del agua fría es a) 27 °C b) 32 °C c) 52 °C d) 85 °C e) 90 °C Get solution

5-205 Se usa un intercambiador de calor para calentar agua fría a 15 °C que entra a una razón de 2 kg/s, mediante aire caliente a 185 °C que entra a una razón de 3 kg/s. El intercambiador de calor no está aislado y pierde calor a razón de 25 kJ/s. Si la temperatura de salida del aire caliente es 20 °C, la temperatura de salida del agua fría es a) 28 °C b) 35 °C c) 38 °C d) 41 °C e) 80 °C Get solution

5-206 Un intercambiador de calor adiabático se usa para calentar agua fría a 15 °C que entra a razón de 5 kg/s mediante agua caliente a 90 °C que entra a razón de 4 kg/s. Si la temperatura de salida del agua caliente es 50 °C, la temperatura de salida del agua fría es a) 42 °C b) 47 °C c) 55 °C d) 78 °C e) 90 °C Get solution

5-207 En una ducha, el agua fría a 10 °C que fluye con un flujo de 5 kg/min se mezcla con agua caliente a 60 °C que fluye con un flujo de 2 kg/min. La temperatura de salida de la mezcla es a) 24.3 °C b) 35.0 °C c) 40.0 °C d) 44.3 °C e) 55.2 °C Get solution

5-208 En un sistema de calefacción, el aire frío del exterior, a 7 °C, que fluye a razón de 4 kg/min, se mezcla adiabáticamente con aire caliente a 70 °C que fluye a razón de 3 kg/ min. La temperatura de salida de la mezcla es a) 34 °C b) 39 °C c) 45 °C d) 63 °C e) 77 °C Get solution

5-209 Los gases calientes de combustión (cuyas propiedades se aproximan bastante bien con las propiedades del aire a temperatura ambiente) entran a una turbina de gas a 1 MPa y 1.500 K con un flujo de 0.1 kg/s, y salen a 0.2 MPa y 900 K. Si se pierde calor de la turbina al entorno a razón de 15 kJ/s, la potencia desarrollada por la turbina de gas es a) 15 kW b) 30 kW c) 45 kW d) 60 kW e) 75 kW Get solution

5-210 Se expande vapor en una turbina de 4 MPa y 500 °C a 0.5 MPa y 250 °C, a razón de 1.350 kg/s. Se pierde calor de la turbina a razón de 25 kJ/s durante el proceso de expansión. La potencia desarrollada por la turbina es a) 157 kW b) 207 kW c) 182 kW d) 287 kW e) 246 kW Get solution

5-211 Un compresor adiabático comprime vapor de agua de 0.2 MPa y 150 °C a 0.8 MPa y 350 °C, a razón de 1.30 kg/s. La potencia consumida por el compresor es a) 511 kW b) 393 kW c) 302 kW d) 717 kW e) 901 kW Get solution

5-212 Un compresor comprime refrigerante 134a del estado de vapor saturado a 0.14 MPa a 0.9 MPa y 60 °C, a razón de 0.108 kg/s. El refrigerante se enfría a razón de 1.10 kJ/s durante la compresión. La potencia consumida por el compresor es a) 4.94 kW b) 6.04 kW c) 7.14 kW d) 7.50 kW e) 8.13 kW Get solution

5-213 En una turbina adiabática se expande refrigerante 134a de 1.2 MPa y 100 °C a 0.18 MPa y 50 °C, a razón de 1.25 kg/s. La potencia desarrollada por la turbina es a) 44.7 kW b) 66.4 kW c) 72.7 kW d) 89.2 kW e) 112.0 kW Get solution

5-214 Refrigerante 134a a 1.4 MPa y 90 °C se estrangula a una presión de 0.6 MPa. La temperatura del refrigerante después de la estrangulación es a) 22 °C b) 56 °C c) 82 °C d) 80 °C e) 90 °C Get solution

5-215 Aire a 27 °C y 5 atm se estrangula por una válvula a 1 atm. Si la válvula es adiabática y el cambio en energía cinética es despreciable, la temperatura de salida del aire será a) 10 °C b) 15 °C c) 20 °C d) 23 °C e) 27 °C Get solution

5-216 Vapor de agua a 1 MPa y 300 °C se estrangula adiabáticamente a una presión de 0.4 MPa. Si el cambio en energía cinética es despreciable, el volumen específico del vapor después de la estrangulación es a) 0.358 m3/kg b) 0.233 m3/kg c) 0.375 m3/kg d) 0.646 m3/kg e) 0.655 m3/kg Get solution

5-217 Se debe calentar aire, de una manera estacionaria, en un calentador de resistencia eléctrica de 8 kW mientras fluye por un conducto aislado. Si el aire entra a 50 °C a razón de 2 kg/s, la temperatura de salida de aire es a) 46.0 °C b) 50.0 °C c) 54.0 °C d) 55.4 °C e) 58.0 °C Get solution
5-218 Vapor saturado de agua a 40 °C se condensa al fluir por un tubo a razón de 0.20 kg/s. El condensado sale del tubo como líquido saturado a 40 °C. La tasa de transferencia de calor del tubo es
a) 34 kJ/s b) 481 kJ/s c) 2.406 kJ/s
d) 514 kJ/s e) 548 kJ/s     Get solution