UNIDAD II
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AUTOEVALUACION DE LA UNIDAD II
a) Problemas sobre Trabajo y Calor para un sistema a.1) Un kilogramo de oxígeno se encuentra en un arreglo cilindro-émbolo y tiene inicialmente 1.5 Mpa y 0.03 m3, se calienta a presión constante hasta que el volumen se duplica. Después se deja expandir isotérmicamente hasta que se vuelve a duplicar el volumen. Determine:
El calor transferido durante el proceso.
La variación de entropía para el proceso.
a.2) El tanque A inicialmente contiene 5 kg de vapor de agua a 800 kPa y 300ºC, estando conectado a través de una válvula a un cilindro con un pistón sin fricción, como lo muestra la figura. Se requiere una presión de 200 kPa para balancear el peso del pistón. La válvula se abre hasta que la presión en A es igual a 200 kPa. Suponga que todo el proceso es adiabático y que el vapor que permanece en A sufre un proceso reversible y adiabático. El volumen inicial en B es 0.3 m3 y no existe vapor. Determine el trabajo hecho sobre el pistón y la temperatura final del vapor en el cilindro B.  a.3) Un cilindro provisto de émbolo sin fricción, contiene agua como se muestra en la figura anexa. La masa de agua es 1 kg y el área del pistón es 0.5 m2. En el estado inicial el agua está a 100 ºC, con una calidad de 90%, y el resorte solamente toca el émbolo sin ejercer ninguna fuerza sobre él. A continuación se transmite calor al agua y el émbolo comienza a subir hasta que la presión y temperatura alcanzan valores de 160.3 kPa y 200 ºC respectivamente. Durante el proceso, la fuerza del resorte es proporcional a la distancia recorrida, con una constante de 10 N/mm. Determine el calor transferido durante el proceso.  a.4) Un arreglo cilindro-émbolo contiene Freón-12 el cual ocupa inicialmente un volumen de 0.121 m3 con calidad 25 % a una temperatura de –30 ºC. La presión atmosférica es de 0.1 MPa . La masa del émbolo es 32.86 kg y su área de 0.002 m2. Se somete el sistema a un proceso de calentamiento. Cuando el émbolo llega a los topes superiores el proceso aún no ha terminado. Al final el Freón-12 se encuentra a una presión de 0.5 MPa y una temperatura de 110 ºC. Determinar el calor transferido durante el proceso.  b) Problemas sobre Flujo Transitorio b.1) Un tanque rígido de 5 m3 contiene aire a 500 kPa y 52 ºC. Una válvula conectada al tanque es abierta y el aire escapa hasta que la presión interior desciende a 200 kPa. La temperatura del aire durante este proceso es constante debido a un calentador de resistencia eléctrica colocado en el tanque. Determine el trabajo eléctrico durante este proceso.  b.2) Un cilindro de paredes aisladas térmicamente está provisto con un pistón sin fricción. Inicialmente contiene 10 kg de agua líquida y 0.5 kg de vapor de agua a una presión de 1.5 Mpa. El cilindro está conectado mediante una válvula a una línea de vapor sobrecalentado a 1.8 MPa. Se abre la válvula y se dejan entrar 2 kg de vapor al cilindro. Se cierra la válvula y se deja que el contenido del cilindro alcance el equilibrio termodinámico. Si el volumen final del contenido del cilindro es seis veces el volumen inicial, determine la temperatura del vapor sobrecalentado en la línea.  b.3) El cilindro de la figura está aislado térmicamente y equipado con un pistón sin rozamiento. Dentro del cilindro hay contenido 1 kg de un gas ideal, de masa molecular desconocida, inicialmente a 27 ºC. Se abre la válvula de la tubería y se admiten 2.5 kg de gas comprimido. Se cierra la válvula y el contenido del cilindro se deja llegar hasta el equilibrio, estado en el cual el volumen final del gas es 6 veces el volumen inicial. Determinar la temperatura del gas comprimido que se admitió en el cilindro y la temperatura final del gas en el cilindro.  b.4) Un tanque de 25 litros contiene Freón-12 como muestra la figura. El tanque inicialmente contiene 90% de líquido y 10% de vapor por volumen a 25 ºC. La válvula se abre y fluye vapor de Freón-12 hacia fuera dejando la tobera a 100 kPa y – 20 ºC. Durante este proceso se transfiere calor al tanque tal que la temperatura del Freón-12 en el tanque permanece a 25 ºC. Determine:
La masa total que sale cuando el tanque contiene vapor saturado.
La transferencia de calor al tanque durante el proceso.
 c) Problemas sobre la ecuación de Bernoulli c.1) Se desea construir una fuente de agua ornamental de manera que el chorro a través de la boquilla alcance una altura de 20 m. Determine la presión a la salida de la bomba(1)  c.2) El medidor venturi mostrado en la figura lleva un flujo de agua. La gravedad específica del fluido manométrico del medidor de presión es de 1.25. Calcule la velocidad de flujo en la sección A y el flujo volumétrico del agua. 
c.3) Para el sistema de la figura, cuál será la lectura h del
manómetro, si el flujo másico es 1.5 kg/s.
 c.4) Una tobera para un sistema de rociador se diseña para producir una película radial plana de agua. Suponga que el espesor de la lámina de agua que sale de la tobera es t=0.5 mm y que el diámetro interior del tubo de entrada es D1=20 mm. Evalúe la presión P1 requerida para producir un flujo volumétrico de 3 m3/h a través del arreglo de la tobera.  d) Problemas sobre ciclo Rankine d.1) En un ciclo Rankine con recalentamiento, el vapor sale de la caldera a 2.5 MPa y 600 ºC y entra a la turbina de alta presión donde se expande hasta la presión de 1 MPa para ser sometido luego a un proceso de recalentamiento de donde sale a 1 MPa y a 600 ºC. El vapor a estas condiciones entra a la turbina de baja presión y se expande hasta la presión del condensador de 50 kPa. El calor que se extrae en el condensador es de 1500 kJ/s. Si la eficiencia adiabática de las turbinas y de la bomba es del 95%, determine la rata de calor total en kJ/s entregada a la caldera.  d.2) En una planta de vapor con regeneración, el vapor sale de la caldera a 2 MPa y 600 ºC . En la turbina, se hace una extracción a 300 kPa para hacer regeneración en un calentador tipo abierto y el resto del vapor se expande hasta la presión del condensador a 10 kPa. El rendimiento de la turbina es 90 % y el de las bombas 85%. La potencia que consume la bomba B2 es 10 kW. Determine el rendimiento térmico del ciclo.  d.3) En una planta de vapor con regeneración, el vapor sale de la caldera a 1.6 MPa y 600 ºC. En la turbina, se hace una extracción a 200 kPa para hacer regeneración en un calentador tipo cerrado y el resto del vapor se expande hasta la presión del condensador a 50 kPa. El rendimiento de la turbina es 90% y el de las bombas 85 %. La potencia que consume la bomba B2 es 150 kW. Determine la potencia producida por la turbina. 
d.4) Vapor sobrecalentado sale de la caldera a 5 MPa y 500 ºC. Se
extrae una fracción de vapor a 1 MPa para un calentador de agua de
alimentación tipo cerrado y el resto se expande en el condensador a la
presión de 50 kPa. Si la turbina produce una potencia de 1000 kW,
calcule el flujo másico del agua de enfriamiento en el condensador, la
cual entra a 25 ºC y sale a 55 ºC. La eficiencia de la turbina es 100%
y la de la bomba 90%.
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