Tercer Taller de Procesos Industriales I Unicatolica 2016-1.docx

8/16/2019 Tercer Taller de Procesos Industriales I Unicatolica 2016-1.docx

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Problema 1.

En su luna de miel, James Joule viajó de Inglaterra a Suiza. Trató de verificar su idea de la convertibilidad entre energía mecánica y

energía interna al medir el aumento en temeratura del agua !ue caía de una catarata. Si el agua de una catarata alina tiene una

temeratura de "#$% y luego cae &# m 'como las cataratas del (iágara) , *!u+ temeratura máima odría eserar joule !ue -ubiera en

el fondo de las cataratas

Problema 2. %onsidere el aarato de joule descrito en la figura /#,". 0a masa de cada uno de los dos blo!ues es de ".& 1g, y el tan!ue aislado se

llena con /## g de agua. *%uál es el aumento de la temeratura del agua desu+s !ue los blo!ues caen una distancia de 2 mSección /#./ %alor esecífico y calorimetría

Problema 3.

0a temeratura de una barra de lata sube "#$% cuando absorbe "./2 1j de energía or calor. 0a masa de la barra es de &/& g.3etermine el calor esecífico de la lata.

4roblema 5.

6na muestra de &# gr de cobre está a /&$%. Si /## j de energía se le agregan or calor, *cuál es la temeratura final del cobre



Problema 5.

El uso sistemático de energía solar uede dar un gran a-orro en el costo de calefacción de esacios en invierno ara una casa tíica dela región norte central de Estados 6nidos. Si la casa tiene buen aislamiento, es osible modelarla como !ue ierde energía or calor de

manera continua a razón de 7### 8 en un día de abril, cuando la temeratura romedio eterior es de 5$%, y cuando el sistema de

calefacción convencional no se usa en absoluto. El colector asivo de energía solar uede estar formado simlemente or ventanas

muy grandes en una alcoba !ue mire -acia el sur. 0a luz solar !ue brille durante el día es absorbida or el iso, aredes interiores yotros objetos del cuarto, elevándose así su temeratura a 29$%. %uando baja el sol, las cortinas o ersianas aislantes se cierran sobre

las ventanas. 3urante el eriodo entre las &:## .m. y las ;:## a.m. la temeratura de la casa bajará, y se necesita una <masa t+rmica

suficientemente grande ara evitar !ue baje demasiado. 0a masa t+rmica uede ser una gran cantidad de iedra 'con calor esecífico

de 9&# =>1g. ? %) en el iso y las aredes interiores euestas a la luz solar. *@u+ masa de iedra se necesita si la temeratura no debedescender or abajo de "9$% durante la noc-e

Problema 6. El láser (ova del 0aboratorio (acional 0aArence 0ivermore, en %alifornia, se usa en estudios ara iniciar una fusión

nuclear controlada 'sección /2.5 del volumen II). 4uede entregar una otencia de ".7# B "#



"28 durante un intervalo de tiemo de /.&# ns. %omare su energía de salida en uno de estos intervalos con la energía necesaria ara

-acer !ue se caliente una olla de t+ de #.9 1g de agua de /#$% a "##$%.

Problema 7.

6na -erradura de -ierro de ".& 1g inicialmente a 7##$% se deja caer en una cubeta !ue contiene /# 1g de agua a /&$%. *%uál es la

temeratura final '4ase or alto la caacidad calorífica del reciiente, y suonga !ue la insignificante cantidad de agua se

-ierve.)Problema 8.

6na taza de aluminio de /## gr de masa contiene 9## gr. de agua en e!uilibrio t+rmico a 9#$%. 0a combinación de taza y agua se

enfría uniformemente de modo !ue la temeratura desciende en ".&$% or minuto. *C !u+ ritmo se remueve energía or calorErese su resuesta en Aatts.Problema 9.

6n calorímetro de aluminio con masa de "## gr. contiene /&# gr. de agua. El calorímetro y el agua están en e!uilibrio t+rmico a "#$%.

3os blo!ues metálicos se onen en el agua. 6no es una ieza de cobre de &# gr. a 9#$%. El otro blo!ue tiene una masa de ;# gr. y está

originalmente a una temeratura de "##$%. Todo el sistema se estabiliza a una temeratura final de /#$%. 'a) 3etermine el caloresecífico de la muestra desconocida. 'b) %alcule el material desconocido, usando los datos de la tabla /#.".Problema 10.

6na moneda de cobre de 2 gr. a /&$% se deja caer &# m al suelo. 'a) Suoniendo !ue 7# D del cambio en energía otencial del

sistema formado or el centavo y nuestro laneta se va a aumentar la energía interna del centavo, determine su temeratura final. 'b)*@u+ asaría si *Este resultado deende de la masa del centavo Eli!ue.Problema 11.

6na combinación de #./& 1g de agua a /#$%, #.5 1g de aluminio a /7$%, y #." 1g de cobre a "##$% se mezclan en un reciiente

aislado al !ue se deja llegar al e!uilibrio t+rmico. Soslaye cual!uier transferencia de energía -acia o desde el reciiente y determine la

temeratura final de la mezcla.Problema 12.

Si se vierte agua con una m - a una temeratura T - en una taza de aluminio de masa m Cl !ue contiene una masa mc de agua a Tcdonde T- Tc *cuál es la temeratura de e!uilibrio del sistema

Problema 13.

6n calentador de agua se oera con energía solar. Si el colector solar tiene un área de 7 m/ y la intensidad entregada or la luz solares

de &&# 8 >m/, *cuánto tarda en aumentar la temeratura de " m2 de agua de /#$% a 7#$%Problema 14.

3os reciientes t+rmicamente aislados están conectados or un estrec-o tubo e!uiado con una válvula !ue inicialmente está cerrada.

6no de los reciientes, de "7.9 0 de volumen, contiene oígeno a una temeratura de 2## F y una resión de ".;& atm. El otro, de

//.5 0 de volumen, contiene oígeno a una temeratura de 5&# F y una resión de /./& atm. %uando la válvula se abre, los gases delos dos reciientes se mezclan, y la temeratura y resión se -acen uniformes en todo el sistema. 'a) *%uál es la temeratura final 'b)

*%uál es la resión final

Problema 15. *%uánta energía se re!uiere ara cambiar un cubo de -ielo de 5# gr. de -ielo a G"#$% a vaor a ""#$%Problema 16.

6n calorímetro de cobre de &# gr. contiene /&# gr. de agua a /#$%. *%uánto vaor debe condensarse en el agua si la temeratura final

del sistema debe llegar a &#$%Problema 17.

6na bala de lomo de 2 gr. a 2#$% es disarada a una raidez de /5# m>s en un gran blo!ue de -ielo a #$%, en el !ue !ueda

incrustada. *@u+ cantidad de -ielo se derriteProblema 18.

Haor a "##$% se agrega a -ielo a #$%. 'a) Encuentre la cantidad de -ielo derretido y la temeratura final cuando la masa del vaorsea "# gr. y la masa del -ielo sea &# gr. 'b) *@u+ asaría si eita cuando la masa del vaor sea " gr. y la masa del -ielo sea &# gr

Problema 19.

6n blo!ue de " 1g de cobre a /#$% se one en un gran reciiente de nitrógeno lí!uido a ;;.2 F. *%uántos 1ilogramos de nitrógeno

-ierven ara cuando el cobre llega a ;;.2F 'El calor esecífico del cobre es #.#/ cal>g.? %. El calor latente de vaorización del nitrógeno es 59 gal>g.

Problema 20.

Suonga !ue un granizo a o$% cae en aire a una temeratura uniforme de o$% y cae sobre una ban!ueta !ue tambi+n está a esta

temeratura. *3e !u+ altura inicial debe caer el granizo ara !ue se derrita or comleto al imacto Problema 21.

En un reciiente aislado, /&# gr. de -ielo a # #% se agregan a 7## gr. de agua a "9$%. 'a) *%uál es la temeratura final del sistema 'b)

*%uánto -ielo resta cuando el sistema llega al e!uilibrio

//. 4roblema de reaso.3os veloces balas de lomo, cada una de & gr. de masa y a una temeratura de /#$%, c-ocan de frente a una raidez de &## m>s cada

una. Si se suone una colisión erfectamente inelástica y no -ay +rdida de energía or calor a la atmósfera, describa el estado final

del sistema formado or las dos balasProblema 23.



6na muestra de gas ideal se eande al doble de su volumen original de " m2en un roceso cuasiestático ara el cual 4 K LH/, con L

K & atm>m7, como se ve en la figura 4/#./2. *%uánto trabajo es realizado sobre el gas en eansión















6na varilla de aluminio de #.& m de largo y área de sección transversal de /.& cm

/ se inserta en un reciiente t+rmicamente aislado !ue contiene -elio lí!uido a 5./ F. 0a varilla está inicialmente a 2## F.

'a) Si la mitad de la varilla se inserta en el -elio, *cuántos litros de -elio -ierven ara el tiemo en !ue la mitad insertada

se enfría a 5./# F 'Suonga !ue la mitad suerior no se enfría todavía). 'b) Si el etremo suerior de la varilla se

mantiene a 2## F, *cuál es la raidez aroimada de ebullición del -elio lí!uido desu+s !ue la mitad inferior -a llegadoa 5./ F 'El aluminio tiene conductividad t+rmica de 2" j>s .cm. F a 5./ FM ase or alto su variación de temeratura. El

aluminio tiene un calor esecífico de #./" cal>g.o % y densidad de /.; g> cm 2. 0a densidad del -elio lí!uido es #."/&g>cm



&7. 6n anillo de cobre 'con masa de /& g, .coeficiente de eansión lineal de ".; B "#G& '?%)GI, y calor esecífico de ./5B "#G/ cal>g.o

%) tiene un diámetro de & cm a su temeratura de "&$%. 6na caa de aluminio esf+rico 'con masa de "#. gr. coeficiente

de eansión lineal de /.5 B "#G& '?%)GI. y calor esecífico de #./"& cal>g.o

%) tiene un diámetro de &.#" cm a una temeratura mayor a "&$%. 0a esfera se one en la arte suerior de un anillo

-orizontal, y se deja !ue los dos lleguen al e!uilibrio t+rmico sin ningNn intercambio de energía con el entorno. Tan ronto

como la esfera y el anillo alcanzan el e!uilibrio t+rmico, la esfera aenas asa or el anillo. Encuentre 'a) la temeratura

de e!uilibrio, y 'b) la temeratura inicial de la esfera.



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