Universidad Simn Bolvar.

Termodinmica I (TF 1121).

Seccin 5.

Enero marzo 2015.

Asignacin n 1

(30 puntos)

1. La conveccin libre (o natural) es un mecanismo de transferencia de calor. Este mecanismo se rige por

el nmero adimensional de Nusselt (Nu), el cual, para cilindros horizontales tiene la forma:

Donde:

es la aceleracin de gravedad y viene dada en m/s2.

es una constante y viene dada por K-1.

es la variacin de temperatura y viene dada en K.

L es la longitud del cilindro y viene dada en metros.

es la densidad del cilindro y viene dada en m3/Kg.

es la capacidad calorfica del slido y viene dado en J/Kg K.

es la viscosidad del fluido que est en contacto con el slido y viene dada en poise.

es la conductividad trmica del slido y viene dada en W/m K.

Demuestre que el nmero de Nusselt es adimensional.

2. El sistema mostrado en la figura tiene dos tanques, el tanque 1 tiene un manmetro en U cuyo lquido

manomtrico es mercurio, contiene agua y aire, y en su interior se encuentra un recipiente lleno de CCl4, el

cual est conectado a un manmetro diferencial C cuya lectura es de 348,675 kPa. El compartimiento de

aire del tanque 1 tiene un manmetro diferencial B cuya lectura es de 210 kPa. El tanque 1 se encuentra

conectado al tanque 2 por un manmetro de vidrio, el cual contiene mercurio para separar el aceite del

agua entre ambos tanques. La columna de agua del tanque 2 tiene una columna de aceite y un pistn

mvil, que recibe el empuje del gas contenido en la recmara. Se conocen los siguientes datos:

El pistn tiene una masa de 53 Kg.

El pistn tiene un rea transversal de 0.045 m2.

Las alturas son 2.5 metros; 9 metros; 0.5 metros y 0.4 metros.

La densidad del agua es 1000 Kg/m3.

La densidad del mercurio es 13600 Kg/m3.

La densidad del aceite es 800 Kg/m3.

La densidad del CCl4 es 1590 Kg/m3.

Considere la gravedad y la presin baromtrica estndar.

(a) Determine la altura de agua en el tanque 1.

(b) Determine la altura de CCl4 en el recipiente que se encuentra dentro del tanque 1.

(c) Calcule la presin que marca el manmetro diferencial A.

3. Complete la siguiente tabla:

Sustancia Temperatura Presin Volumen Calidad Fase

Agua 362 C 750 kPa

Nitrgeno 0,145 kPa 0,00122 m3/Kg Dixido de carbono -12 C 2501 kPa

Agua -10 C 0,18 m3/Kg

Amonaco 0,28905 m3/Kg 0,3 Saturacin L V

4. Una bombona de 0,5 m3 se carga con nitrgeno hasta una presin de 400 kPa (manomtrica) y 27

C, almacenndose en un depsito. Despus de 6 meses se observa que la vlvula de la bombona

presenta una pequea fuga; leyndose en el manmetro una presin de 100 kPa. Si la temperatura no se

ha modificado considerablemente y la presin atmosfrica es de 100 kPa, determine la masa de

nitrgeno que ha escapado.

Para sus clculos utilice:

Ecuacin de Van der Waals.

Tablas del nitrgeno.

Carta generalizada.

Cul de los tres modelos, bajo su criterio, considera que es el ms adecuado y por qu?

Nota: recuerde que la ecuacin de Van der Waals es una Ecuacin de Estado Cbica y tiene la forma:

Donde:

Gas

Manmetro A Manmetro B

CCl4

Manmetro C

Vaco Aire

Agua

Pistn

Agua

Aceite

Mercurio

De igual forma, siempre tenga presente que la ecuacin le arrojar tres valores para , de los cuales, el

menor corresponde a y el mayor a , el intermedio no tiene sentido fsico alguno.

5. En el arreglo cilindro-pistn pesas que se muestra en la figura, se tiene 1 kg de agua a 100 C con

un volumen especfico de 0,001041 m3/Kg (estado 1). Se retiran lentamente algunas pesas, de modo de

que el sistema sufra una expansin isotrmica, hasta alcanzar una calidad del 6% (estado 2). Las pesas

que se quitaron anteriormente, se vuelve a colocar lentamente una por una y simultneamente el sistema

se sigue calentado, de modo que se realice un proceso a volumen constante (estado 3). El rea del pistn

es de 10 cm2.

Defina todos los estados.

Fecha de entrega: 14 de enero de 2015