Problemas

PROBLEMAS

1.1 En los siguientes sistemas, determine si el sistema descrito se modela mejor como un sistema aislado, cerrado o abierto:

(a) vapor que fluye a través de una turbina (b) una bombilla incandescente (c) una bomba de combustible en un automóvil en movimiento (d) un ancla de un barco hundido que descansa 3 000 m bajo la superficie del océano (e) el techo de una casa

1.2 En los siguientes sistemas, determine si el sistema descrito se modela mejor como un sistema aislado, cerrado o abierto:

(a) un árbol que crece en un bosque (b) un televisor (c) una computadora portátil (d) la nave espacial Voyager 2 en su estado actual (e) la nave espacial Messenger cuando se puso en órbita alrededor de Mercurio

1.3 En los siguientes sistemas, determine si el sistema descrito se modela mejor como un sistema aislado, cerrado o abierto:

(a) un neumático inflado (b) un aspersor de césped en uso activo (c) una taza llena de agua líquida (d) el radiador de un motor (e) una formación rocosa a 200 m por debajo de la superficie de la Tierra

1.4 En los siguientes sistemas, determine si el sistema descrito se modela mejor como un sistema aislado, cerrado o abierto:

(a) una bomba que suministra agua a un edificio (b) una tetera con agua hirviendo (c) un volcán activo (d) una barra de oro macizo colocada dentro de una caja muy bien aislada (e) una silla

1.5 En los siguientes sistemas, determine si el sistema descrito se modela mejor como un sistema aislado, cerrado o abierto:

(a) una polea en un ascensor (b) una bañera (c) un ser humano (d) una pieza de metal que se moldea en un torno (e) un cometa que orbita el Sol en la nube de Oort (la nube de cometas inactivos ubicada mucho más allá de las órbitas de los planetas)

1.6 Considere una botella cerrada medio llena de agua y colocada en un refrigerador. Trace diagramas que muestren el sistema más adecuado para un análisis termodinámico que: (a) solo considera el agua (b) considera solamente el agua y el aire dentro de la botella (c) toma en cuenta el agua y el aire dentro de la botella, y la propia botella (d) considera solo la botella y no el contenido (e) contempla todo el contenido del refrigerador, pero no el refrigerador físico

1.7 Considere una manguera de incendios con agua que fluye a través de ella y después a través de una boquilla al final de la manguera. Trace diagramas que muestren el sistema más apropiado para un análisis termodinámico que: (a) toma en cuenta solamente el agua en la boquilla del sistema (b) considera el agua que fluye a través de la manguera y la boquilla (c) contempla tanto el agua que fluye a través de la boquilla como la propia boquilla

1.8 Una pelota de baloncesto está a punto de salir de la mano de un jugador para un tiro. Trace diagramas que muestren el sistema más adecuado para un análisis termodinámico que: (a) considera solamente el aire dentro de la pelota (b) toma en cuenta solamente el material que compone la pelota y no el aire dentro de ella (c) considera la pelota y el aire en el interior (d) contempla la pelota, el aire interior y la mano del jugador (e) considera todo el estadio en donde se encuentra la pelota

1.9 Para condensar un flujo de vapor, el agua de refrigeración líquida se envía a través de una tubería y el vapor pasa por encima del exterior de la tubería. Trace diagramas que muestren el sistema más adecuado para un análisis termodinámico que: (a) considera solo el agua que fluye a través de la tubería (b) toma en cuenta solo el vapor de condensación en el exterior de la tubería (c) considera solo la tubería (d) contempla la tubería, la refrigeración interna y el vapor de condensación externo

1.10 Trace un diagrama esquemático del lugar donde vive. Identifique cualquier sitio donde la masa o la energía puedan entrar o salir de la habitación o del edificio.

1.11 Delinee un diagrama esquemático de un motor de automóvil. Identifique cualquier lugar donde la masa o la energía puedan entrar o salir del motor.

1.12 Trace un diagrama esquemático de una computadora de escritorio. Identifique cualquier lugar donde la masa o la energía puedan entrar o salir de la computadora.

1.13 Esboce un diagrama esquemático de un puente de autopista sobre un río. Identifique cualquier mecanismo que pueda hacer que la masa o la energía fluyan hacia o desde el sistema del puente.

1.14 Trace un diagrama esquemático de un avión en vuelo. Identifique cualquier lugar donde la masa o la energía puedan entrar o salir de la aeronave. 1.15 Un sistema cerrado se somete a un proceso de volumen constante (isocórico) a 0.25 m3/kg conforme la presión cambia de 100 kPa a 300 kPa. Esboce este proceso en un diagrama P-v (presión vs. volumen específico).

1.16 Un sistema se somete a un proceso isotérmico a 30 °C a medida que el volumen específico cambia de 0.10 m3/kg a 0.15 m3/kg. Trace este proceso en un diagrama T-v (temperatura vs. volumen específico).

1.17 Un sistema se somete a un proceso isobárico de 50 a 30 °C, a una presión de 200 kPa. Esboce este proceso en un diagrama P-T (presión vs. temperatura).

1.18 Un sistema se somete a un proceso descrito por Pv 5 constante, desde un estado inicial de 100 kPa y 0.25 m3/kg hasta un volumen específico final de 0.20 m3/kg. Determine la presión final y trace este proceso en un diagrama P-v (presión vs. volumen específico).

1.19 Esboce en un diagrama P-v los tres procesos secuenciales siguientes por los que pasa un sistema:

(a) una expansión de presión constante desde un estado inicial de 500 kPa y 0.10 m3/kg hasta un volumen específico de 0.15 m3/kg (b) una despresurización de un volumen específico constante a una presión de 300 kPa (c) un proceso que acompañe a Pv 5 constante a una presión final de 400 kPa

1.20 Trace un diagrama T-v de los siguientes tres procesos secuenciales que experimenta un sistema:

(a) un calentamiento de volumen específico constante de 300 K y 0.80 m3/kg a una temperatura de 450 K (b) una compresión isotérmica a un volumen específico de 0.60 m3/kg (c) un enfriamiento isocórico a 350 K

1.21 Trace un diagrama P-T de un sistema sometido a los dos procesos secuenciales siguientes: (a) una compresión isotérmica de 500 K y 250 kPa a una presión de 500 kPa (b) un enfriamiento isobárico a una temperatura de 350 K

1.22 Delinee un diagrama P-v de un sistema cerrado sometido a los cuatro procesos secuenciales siguientes: (a) una compresión isobárica de 200 kPa y 0.50 m3/kg a un volumen específico de 0.20 m3/kg (b) una expansión de volumen constante a un volumen específico de 0.30 m3/kg (c) una despresurización de volumen constante a una presión de 125 kPa (d) una expansión de presión constante a un volumen específico de 0.30 m3/kg

1.23 Un ciclo termodinámico consiste en los tres procesos siguientes. Esboce el ciclo en un diagrama T-v. (a) un calentamiento de volumen constante de 0.10 m3/kg y de 300 K a 500 K (b) una expansión isotérmica a un volumen específico de 0.15 m3/kg (c) un proceso lineal que devuelve el proceso a su estado inicial

1.24 Un ciclo termodinámico consiste en los tres procesos siguientes. Trace el ciclo en un diagrama P-v.

(a) una compresión isobárica de 300 kPa y 1.20 m3/kg a un volumen específico de 0.80 m3/kg (b) un proceso para el que Pv 5 constante a un volumen específico de 1.20 m3/kg (c) un proceso de volumen constante que produce una presión de 300 kPa

1.25 Un ciclo termodinámico implica los cuatro procesos siguientes. Esboce el ciclo en un diagrama P-T. (a) un calentamiento isobárico de 500 K y 400 kPa a una temperatura de 700 K (b) una compresión isotérmica a una presión de 800 kPa (c) un enfriamiento isobárico a una temperatura de 500 K (d) una expansión isotérmica adecuada

1.26 El punto de fusión del plomo a presión atmosférica es de 601 K. Determine esta temperatura en °C, °F y R.

1.27 El punto de fusión del oro a presión atmosférica es de 2 405 R. Determine esta temperatura en °C, °F y K.

1.28 A una presión de 5.1 atm, el dióxido de carbono se condensa en un líquido a −57 °C. Determine esta temperatura en °F, K y R.

1.29 La temperatura “normal” de un ser humano es de 98.6 °F. Determine esta temperatura en °C, K y R.

1.30 El punto de ebullición del amoniaco a presión atmosférica es de 239.7 K. Determine esta temperatura en °C, °F y R.

1.31 El punto de fusión del aluminio a presión atmosférica es de 1 220 °F. Determine esta temperatura en °C, K y R.

1.32 A presión atmosférica, el punto de ebullición del metanol es de 337.7 K y el del etanol es de 351.5 K. Convierta ambas temperaturas a grados Celsius y determine la diferencia entre ellas en K y °C.

1.33 A presión atmosférica, el punto de fusión del platino puro es de 2 045 K y el de la plata es de 1 235 K. Convierta ambas temperaturas a grados Celsius y determine la diferencia entre ellas en K y °C.

1.34 Usted desea agregar un cubo de hielo en una taza de agua caliente para enfriar el agua. La temperatura del cubo de hielo es de −10 °C y la temperatura del agua es de 92 °C. Convierta ambas temperaturas a Kelvin y determine la diferencia entre ellas en K y °C.

1.35 El oxígeno, O2, tiene una masa molecular de 32 kg/kmol. ¿Cuántos moles representan 17 kg de O2? 1.36 Usted determina que 1.2 kmoles de una sustancia tienen una masa de 14.4 kg. Determine la masa molecular de la sustancia.

1.37 Se le pregunta si desea tener una caja que contiene 3.5 kmoles de oro. La única condición de la oferta es que usted debe llevarse la caja solo con su propia fuerza. ¿Cuál es la masa del oro en la caja si la masa molecular del oro es de 197 kg/kmol? ¿Cree que podrá aceptar este trato?

1.38 Suponga que un kilomol de cualquier sustancia gaseosa a una temperatura y presión dadas ocupa un volumen de 24 m3. La densidad de un gas determinado en estas condiciones es de 1.28 kg/m3 . ¿Cuánta masa del gas está presente si usted tiene un contenedor de 2.0 m3 lleno de gas a la temperatura y presión dadas, y cuál es la masa molecular del gas?

1.39 La quema de un combustible de hidrocarburos convertirá el carbono del combustible en dióxido de carbono. Para quemar cada kmol de carbono se necesita 1 kmol de oxígeno (O2). Esto produce 1 kmol de CO2. Si originalmente tiene 2 kg de carbono para quemar, ¿cuál es la masa de CO2 que se producirá? La masa molecular del carbono es de 12 kg/kmol, la del oxígeno es de 32 kg/kmol y la del CO2 es de 44 kg/kmol. 1.40 Una roca en el nivel del mar en la Tierra (donde g 5 9.81 m/s2) tiene una masa de 25 kg. ¿Cuál es el peso de la roca en newtons? 1.41 En un planeta distante, la aceleración debida a la gravedad es de 6.84 m/s2. El peso de un objeto en ese planeta es de 542 N. ¿Cuál es la masa del objeto? Si ese objeto se lleva a la Tierra, donde g 5 9.81 m/s2, ¿cuál es el peso del objeto?

1.42 ¿Cuánta fuerza se necesita para acelerar una pelota con una masa de 0.5 kg a una velocidad de 25 m/s2?

1.43 ¿Cuánta fuerza se necesita para acelerar un bloque con una masa de 1.59 lbm a una velocidad de 35 ft/s2?

1.44 Un objeto tiene una masa de 145 lbm. Este objeto se envía al espacio y se coloca en la superficie de un planeta donde la aceleración debida a la gravedad es de 25 ft/s2. ¿Cuál es el peso del objeto en lbf en el otro planeta?

1.45 La aceleración debida a la gravedad en Marte es de 12.17 ft/s2. En el nivel del mar en la Tierra, un astronauta puede levantar un objeto que pesa 125 lbf. ¿Cuál es la masa de un objeto que el astronauta podría levantar en Marte?

1.46 Un palo de golf aplica una fuerza de 12 lbf a una pelota de goma que tiene una masa de 1.5 lbm. ¿Cuál es la aceleración experimentada por la pelota cuando se encuentra con la fuerza? 1.47 ¿Qué fuerza se requiere para acelerar una roca de 5.0 lbm a una velocidad de 35 ft/s2? 1.48 El volumen específico del vapor a 500 °C y 500 kPa es de 0.7109 m3/kg. Usted tiene un contenedor cuyo volumen es de 0.57 m3, y está lleno de vapor a 500 °C y 500 kPa. Determine la masa del vapor en el contenedor.

1.49 Un bloque sólido de composición desconocida tiene dimensiones de 0.5 m de longitud, 0.25 m de ancho y 0.1 m de altura. El peso del bloque en el nivel del mar (g 5 9.81 m/s2) es de 45 N. Determine el volumen específico del bloque.

1.50 Una mezcla de agua líquida y vapor de agua ocupa un tubo cilíndrico cuyo diámetro es de 0.05 m y cuya longitud es de 0.75 m. Si el volumen específico del agua es de 0.00535 m3/kg, determine la masa del agua presente. 1.51 La densidad de varios metales es la siguiente: plomo: 11 340 kg/m3, estaño: 7 310 kg/m3 y aluminio: 2 702 kg/m3. Se le da una caja pequeña (0.1 m 3 0.1 m 3 0.075 m) y se le dice que está llena con uno de estos metales. La caja no se puede abrir ni se puede leer su etiqueta. Usted decide pesar la caja para determinar el metal que contiene. Encuentra que el peso de la caja es de 53.8 N. Determine la densidad y el volumen específico de la caja, y elija al probable metal que está en el interior.

1.52 Una persona con una masa de 81 kg se para sobre una pequeña plataforma cuya base es de 0.25 m 3 0.25 m. Determine la presión ejercida por la persona sobre el suelo bajo la plataforma. 1.53 Una pared de 2.5 m2 de área es golpeada por una ráfaga de viento. La fuerza ejercida por el viento en la pared es de 590 kN. Determine la presión ejercida por el viento sobre la pared. 1.54 Una prensa aplica una presión de 800 kPa uniformemente sobre un área de 0.025 m2. ¿Cuál es la fuerza total aplicada por la prensa?

1.55 Se utiliza un manómetro para determinar la diferencia de presión entre la atmósfera y un depósito de líquido. El fluido en el manómetro es agua, con una densidad de 1 000 kg/m3. El manómetro se encuentra en el nivel del mar, donde g 5 9.81 m/s2. La diferencia de altura entre el líquido en las dos patas del manómetro es de 0.25 m. Determine la diferencia de presión. 1.56 Con un manómetro de mercurio (r 5 13 500 kg/m3) se mide la diferencia de presión entre dos tanques que contienen fluidos. La diferencia en la altura del mercurio entre los dos tubos es de 10 cm. Determine la diferencia de presión entre los tanques. 1.57 Usted elige utilizar un manómetro de mercurio (r 5 13 500 kg/m3) para verificar la precisión de un manómetro en un tanque de nitrógeno comprimido. El manómetro se coloca entre el tanque y la atmósfera, y la diferencia de altura del mercurio entre los dos tubos es de 1.52 m. El medidor de presión por verificar señala una presión de 275 kPa en la presión del medidor del tanque. ¿El medidor de presión es preciso?

1.58 Los tanques de gas comprimido a menudo tienen presiones de calibración de al menos 1 MPa. Suponga que desea utilizar un manómetro para medir la presión de un depósito de aire comprimido cuya presión fue de al menos 1 MPa. El manómetro se colocaría entre el tanque y la atmósfera. ¿Cuál es la longitud mínima del tubo necesaria para tal medición si el líquido en el manómetro es (a) mercurio (r 5 13 500 kg/m3), (b) agua (r 5 1 000 kg/m3) y (c) aceite de motor (r 5 880 kg/m3)? ¿Parecen prácticos estos dispositivos para esta medición?

1.59 Se configura un manómetro que utiliza un líquido con una densidad de 625 lbm/ft3 para medir la diferencia de presión entre dos ubicaciones en un sistema de flujo. La altura del líquido del manómetro es de 0.52 ft. ¿Cuál es la diferencia de presión entre las dos ubicaciones?

1.60 El manómetro de un tanque de nitrógeno comprimido indica 785 kPa. Un barómetro indica que la presión atmosférica local es de 99 kPa. ¿Cuál es la presión absoluta en el tanque?

1.61 El medidor de presión en un tanque de aire comprimido indica 120 psi. La presión atmosférica local se mide como 14.5 psi. ¿Cuál es la presión absoluta en el tanque?

1.62 Se mide la presión del aire dentro de un dispositivo de pistón-cilindro con un manómetro. El diámetro del cilindro es de 8 cm. Mientras el pistón está en reposo, el manómetro señala una presión de 40 kPa. Un barómetro mide la presión atmosférica hasta 100 kPa. Se coloca un peso con una masa de 20 kg en la parte superior del pistón y el pistón se mueve hasta que llega a un nuevo punto de equilibrio. ¿Cuál es la nueva presión de calibración y la nueva presión absoluta del aire en el cilindro cuando se alcanza este nuevo equilibrio?

1.63 La presión absoluta del aire en un dispositivo de pistón-cilindro es de 220 kPa. La presión atmosférica local es de 99 kPa. Si la aceleración debida a la gravedad es de 9.79 m/s2 y el diámetro del cilindro es de 0.10 m, ¿cuál es la masa del pistón?

1.64 Hay aire en un dispositivo de pistón-cilindro. El diámetro del cilindro es de 12 cm, la masa del pistón es de 5 kg y la aceleración debida a la gravedad es de 9.80 m/s2. La presión atmosférica local es de 100.5 kPa. Determine la masa de un conjunto de pesos que debe añadirse a la parte superior del pistón para que la presión absoluta del aire en el cilindro sea de 250 kPa.

1.65 Un depósito de líquido ejerce una presión de 300 kPa sobre un tapón situado en el fondo del depósito. La presión atmosférica local es de 99 kPa. El diámetro del tapón circular es de 2.5 cm. ¿Cuál es la fuerza adicional que debe aplicarse al tapón para mantenerlo en su lugar?

1.66 ¿Cuál es la presión absoluta del aire situado en un dispositivo de pistón-cilindro para un cilindro de 0.5 ft de diámetro, con una masa de pistón de 150 lbm y una presión atmosférica local de 14.65 psi? El dispositivo se encuentra en el nivel del mar en la Tierra.

1.67 Considere un dispositivo de pistón-cilindro inicialmente en equilibrio donde la presión de aire dentro del cilindro es de 150 kPa. Se desea elevar la presión del aire a 300 kPa añadiendo aire al cilindro sin cambiar la ubicación del pistón. Si el pistón tiene un diámetro de 8 cm, ¿cuál es la cantidad de masa que debe añadirse al pistón para mantenerlo en el mismo lugar con la presión más alta? Suponga una aceleración estándar debido a la gravedad en el nivel del mar en la Tierra.