Solución. Resuelto con el Software EES. Las soluciones se pueden verificar si se copian y pegan las líneas siguientes en una pantalla EES en blanco.

Transcripción

1 Problemas de examen de opción múltiple Capítulo 2: Propiedades de las sustancias puras Cengel/Boles-Termodinámica: un enfoque de ingeniería, 4 a edición (Los valores numéricos de las soluciones se pueden obtener si se copian las soluciones EES que se dan, se pegan en una pantalla EES en blanco, y se oprime el comando Solve. Problemas parecidos, y sus soluciones, se pueden obtener con facilidad si se modifican los valores numéricos.) Cap. 2-1 Gas ideal descargado (V=constante) Un tanque rígido contiene 7 kg de un gas ideal a 5 atm y 30 o C. Se abre una válvula y se permite que escape la mitad de la masa del gas. Si la presión final en el tanque es de 1.5 atm, la temperatura final en el tanque es (a) -91 C (b) 18C (c) -182 C (d) 91 C (e) 15 C Respuesta: (a) -91 C. "Si R=constante y V= constante, P1/P2=m1*T1/m2*T2" m1=7 "kg" P1=5 "atm" P2=1.5 "atm" T1= "K" m2=0.5*m1 "kg" P1/P2=m1*T1/(m2*T2) T2_C=T2-273 "C" P1/P2=m1*(T1-273)/(m2*W1_T2) "Usando C en lugar de K" P1/P2=m1*T1/(m1*(W2_T2+273)) "Al menospreciar la disminución de la masa" P1/P2=m1*T1/(m1*W3_T2) "Al menospreciar la disminución de la masa, y no convertir a grados C" W4_T2=(T1-273)/2 "Tomando T2 como la mitad de T1 porque se descargó la mitad de la masa" Cap. 2-2 Incremento de la temperatura del aire en un tanque (V=constante) Se mide por la mañana la presión en un tanque de almacenamiento de aire y es de 250 kpa (en el medidor), y por la tarde, de 275 kpa (en el medidor) debido al calentamiento solar. La presión atmosférica local es de 100 kpa. Si la temperatura del aire en el tanque es de 15 o C en la mañana, por la tarde la temperatura del aire es de (a) 15.9 C (b) 31.5 C (c) 38.0 C (d) 16.2 C (e) 15 C Respuesta: (b) 31.5 C. "Si R, V y m son constantes, P1/P2=T1/T2" Patm=100 P1=250+Patm "kpa" P2=270+Patm "kpa" T1= "K" P1/P2=T1/T2 T2_C=T2-273 "C" P1/P2=(T1-273)/W1_T2 "Por usar C en vez de K"

2 (P1-Patm)/(P2-Patm)=T1/(W2_T2+273) "Por usar la presión en el medidor en lugar de la presión absoluta (P1-Patm)/(P2-Patm)=(T1-273)/W3_T2 "Se cometieron los dos errores mencionados arriba" W4_T2=T1-273 "Por suponer que la temperatura permanece constante Cap. 2-3 Mezcla saturada de H2O en un tanque Un tanque rígido de 230 m 3 está lleno de una mezcla de líquido-vapor saturada a 120 o C. Si el 25% de la masa es líquido y el 75% de ella, vapor, la masa total en el tanque es (a) 252 kg (b) 824 kg (c) 344 kg (d) 230 kg (e) 683 kg Respuesta: (c) 344 kg. V_tank=230 "m3" T1=120 "C" x=0.75 v_f=volume(steam_nbs, x=0,t=t1) v_g=volume(steam_nbs, x=1,t=t1) v=v_f+x*(v_g-v_f) m=v_tank/v "kg" P1=PRESSURE(Steam_NBS,T=T1,x=0) P1*V_tank=W1_m*R*(T1+273) "Por tratar al vapor como un gas ideal" P1*V_tank=W2_m*R*T1 "Por tratar al vapor como un gas ideal y usar grados C" W3_m=V_tank "Por considerar que la densidad es de 1 kg/m^3" Cap. 2-4 Tasa de transferencia de calor en una olla de presión Se hierve agua a 300 kpa de presión en una olla de presión. La olla contiene inicialmente 3 kg de agua. Una vez que comienza a hervir, se observa que se evapora la mitad del agua de la olla en 30 minutos. Si la pérdida de calor de la olla es despreciable, la tasa promedio de transferencia de energía a la olla es de (a) 2.3 kw (b) 136 kw (c) 3.6 kw (d) 1.80 kw (e) 0.9 kw Respuesta: (d) 1.80 kw. m_1=3 "kg" P=300 "kpa" time=30*60 "s" m_evap=0.5*m_1 Power*time=m_evap*h_fg "kj" h_f=enthalpy(steam_nbs, x=0,p=p) h_g=enthalpy(steam_nbs, x=1,p=p) W1_Power*time=m_evap*h_g "Por usar h_g" W2_Power*time/60=m_evap*h_g "Al usar minutos en vez de segundos para el tiempo" W3_Power=2*Power "Al suponer que se evapora toda el agua" Cap. 2-5 Temperatura en un tanque de H2O Un tanque rígido de 0.2-m 3 contiene 8 kg de agua (en cualquier fase o fases) a 500 kpa. La temperatura en el tanque es de

3 (a) 27 C (b) 102 C (c) 381 C (d) 246 C (e) 152 C Respuesta: (e) 152 C. V_tank=0.2 "m^3" m=8 "kg" v=v_tank/m P=500 "kpa" T=TEMPERATURE(Steam_NBS,v=v,P=P) P*V_tank=m*R*W1_T "Por tratar al vapor como un gas ideal y usar grados C" Cap.2-6 Agua hirviente en una cacerola En una cacerola está hirviendo agua a 95 C. Si el calor se transfiere a la cacerola a una tasa de 2kW, la cantidad de agua que se evapora en 30 minutos es de (a) 1.6 kg (b) 1.4 kg (c) 9.0 kg (d) kg (e) 0.87 kg Respuesta: (a) 1.6 kg. T=95 "C" time=30*60 "s" Q=2 "kj/s" Q*time=m*h_fg "kj" h_f=enthalpy(steam_nbs, x=0,t=t) h_g=enthalpy(steam_nbs, x=1,t=t) Q*time=W1_m*h_g "Al usar h_g" Q*time/60=W2_m*h_g "Al usar minutos en vez de segundos para el tiempo" Q*time=W3_m*h_f "Al usar h_f" Cap. 2-7 Agua hirviente en una cacerola al nivel del mar En una estufa al nivel del mar se hierve el agua de una cacerola. Durante 15 min de ebullición se observa que se evaporan 150 g de agua. Por tanto, la tasa de transferencia de calor al agua es de (a) 26.8 kj/min (b) 22.6 kj/min (c) 0.45 kj/min (d) 4.2 kj/min (e) 16.9 kj/min Respuesta: (b) 22.6 kj/min. m_evap=0.15 "kg" P= "kpa" time=15 "min" Q*time=m_evap*h_fg "kj" h_f=enthalpy(steam_nbs, x=0,p=p) h_g=enthalpy(steam_nbs, x=1,p=p)

4 W1_Q*time=m_evap*h_g "Al usar h_g" W2_Q*time*60=m_evap*h_g "Al usar segundos en vez de minutos para el tiempo" W3_Q*time=m_evap*h_f "Al usar h_f" Cap. 2-8 Condensación de vapor en una esfera de latón Una esfera de latón, cuyo calor específico es de 0.40 kj/kg. C, se introduce a un cuarto lleno de vapor saturado a 90 o C. La temperatura de la esfera pasa de 20 a 90 o C al mismo tiempo que algo de vapor se condensa en ella conforme pierde calor (aunque continúa a 90 o C). La masa del vapor que se condensa durante este proceso es de (a) 63 g (b) 574 g (c) 74 g (d) 446 g (e) 217 g Respuesta: (c) 74 g. m_ball=6 "kg" T=90 "C" T1=20 "C" T2=90 "C" Cp=0.4 "kj/kg.c" Q=m_ball*Cp*(T2-T1) Q=m_steam*h_fg "kj" h_f=enthalpy(steam_nbs, x=0,t=t) h_g=enthalpy(steam_nbs, x=1,t=t) Q=W1m_steam*h_g "Al usar h_g" Q=W2m_steam*4.18*(T2-T1) "Al usar m*c*deltat = Q para el agua" Q=W3m_steam*h_f "Al usar h_f" Cap. 2-9 Vapor SH en un tanque Un tanque rígido contiene 0.8 kg de vapor a 10 Mpa y 300 o C. El volumen del tanque es de (a) 11 m 3 (b) 21 m 3 (c) 4.3 m 3 (d) 1.1 m 3 (e) 0.23 m 3 Respuesta: (d) 1.1 m 3. m=0.8 "kg" V=m*v1 "m^3" P1=10000 "kpa" T1=300 "C" v1=volume(steam_nbs,t=t1,p=p1) P1*W1_V=m*R*(T1+273) "Tratando al vapor como gas ideal" P1*W2_V=m*R*T1 "Al tratar al vapor como gas ideal y usar grados C" Cap Temperatura de saturación R134 Considere un recipiente lleno con un refrigerante-134 a 20 o C. De pronto ocurre un agrietamiento y la presión interna del recipiente cae hasta alcanzar la presión atmosférica local de 80 kpa. Es de esperar que la temperatura del refrigerante dentro del recipiente caiga a (redondear al entero más cercano)

5 (a) 0 C (b) -31 C (c) -18 C (d) 3 C (e) 20 C Respuesta: (b) -31 C. P2=80 "kpa" T2=TEMPERATURE(R134a,x=0,P=P2)