cap 1 termo i 2016

8/17/2019 Cap 1 termo I 2016

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Termodinamica I – ESMC - FAIN – UNJBG Dr Ing Jesús Medina Salas

Curso Termodin!mica I

Con"enido

Ca#i"ulo $ Conce#"os % De&iniciones In'ciales

1.1.- Termodinámica1.2.- Sistemas Termodinámicos

1.2.1.- Tipos de Sistemas1.2.2.- Puntos de Vista Macroscópico y Microscópico

1.3.- Propiedad, Estado, Proceso y Equilirio1.3.1.- Propiedades E!tensi"as e #ntensi"as1.3.2.- $ase y Sustancia Pura1.3.3.- Equilirio

1.%.- &nidades Para Masa, 'on(itud, Tiempo y $uer)a1.%.1.- S# - Sistema #nternacional y Sistema #n(l*s1.+.- Masa Especica, Volumen Especico y Presión

1.+.1.- Masa Especica y Volumen Especico1.+.2.- Presión

1..- Temperatura1..1.- Equilirio T*rmico1..2.- Termómetros1..3.- Escala de temperatura de /as y Escala 0el"in S#1..%.- 4tras Escalas

1.5.- Metodolo(a Para 6esol"er Prolemas Termodinámicos.

Ca#'"ulo ( )a Energ'a % la *rimera )e% de la Termodin!mica

1.- #ntroducción2.1.- 7onceptos Mecánicos de Ener(a

2.1.1.- Traa8o y Ener(a 7in*tica2.1.2.- Ener(a Potencial2.1.3.- 7omentarios

2.2.- Transerencia de ener(a a tra"*s de traa8o2.2.1.- 7on"ención de Se9ales y :otación2.2.2.- Traa8o de E!pansión o 7ompresión

2.2.3.- Traa8o en Procesos 7uasiestáticos de E!pansión y 7ompresión2.2.%.-4utros E8emplos de Traa8o.

2.3.- Ener(a de un Sistema2.3.1.- 1a 'ey de la Termodinámica2.3.2.- ;einición de "ariación de ener(a2.3.3.- Ener(a #nterna.2.3.%.- Principio de la conser"ación para Sistemas 7errados

2.%.- Ener(a transerida por el calor.2.%.1.- 7on"ención de Se9ales y :otación2.%.2.- Modos de Transerencia de 7alor2.%.3.- 7onsideraciones

2.+.- <alance de Ener(a para Sistemas 7errados2.+.1.- $ormas do <alance de Ener(a

1

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2.+.2.- #lustraciones2..- =nálisis Ener(*tica de 7iclos

2..1.- Preliminares2..2.- 7iclos de Potencia2..3.- 7iclos de 6eri(eración y <oma de 7alor

Ca#'"ulo + *ro#iedades de una Su,s"ancia *ura - Com#resi,le Sim#les

1.- #ntroducción3.1.- El Principio de Estado3.2.- 6elación P - V - T

3.2.1.- Supericie P - V - T3.2.2.- P, V, T - Proyecciones planas3.2.3.- 7amio de $ase.

3.3.- Propiedades Termodinámicas.3.3.1.- Presión, Volumen Especico y Temperatura.

3.3.2.- Ener(a #nterna Especica y Entalpia3.3.3.- 7alores especicos a "olumen constante y a presión constante3.3.%.- =pro!imaciones para determinar las propiedades de los lquidos usando las

talas de lquido saturado.3.3.+.- Modelo de Sustancia #ncompresile.

3.%.- 6elaciones PVT para (ases.3.%.1.- 7onstante &ni"ersal de los /ases.3.%.2.- $actor de 7ompresiilidad >3.%.3.- /ráico de 7ompresiilidad /enerali)ada

3.+.- Modelo de /as #deal3.+.1.- Ener(a #nterna, Entalpia e 7alor Especico para /as #deal3.+.2.- Talas de /as #deal3.+.3.-?ipótesis de calores especicos constantes3.+.%.- Procesos Politrópicos para un (as ideal

Ca#'"ulo .olumen de Con"rol - An!lisis Energ/"ico

1.- #ntroducción%.1.- 7onser"ación de masa para V.7.

%.1.1.- ;esarrollo del alance del lu8o de masa%.1.2.- $ormas del alance del lu8o de masa.

%.2.- 7onser"ación de la ener(a para un V.7.%.2.1.- ;esarrollo del alance de ener(a para un V.7.%.2.2.- Traa8o para un Volumen 7ontrolado%.2.3.- $orma do alance de lu8o de ener(a para un V7

%.3.- =nálisis para Volumen 7ontrolado en 6*(imen Permanente%.3.1.- <alances de $lu8o de Masa y Ener(a%.3.2.- #lustraciones

%.%.- =nálisis de Transitorios

Ca#'"ulo 0 Segunda )e% de la Termodin!mica

1.- #ntroducción+.1.- #ntroducción a la Se(unda 'ey

2

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+.1.1.- ;irección de los Procesos+.1.2.- 4portunidades para desarrollar traa8o+.1.3.- =spectos de la 2a. ley

+.2.- Enunciados de la 2a. ley de la Termodinámica+.2.1.- Enunciados de 7lausius y de 0el"in-Planc@

+.2.2.- Equi"alencia entre os enunciados de 7lausius e 0el"in-Planc@.+.3.- Procesos 6e"ersiles e #rre"ersiles+.3.1.- Procesos #rre"ersiles+.3.2.- Procesos 6e"ersiles+.3.3.- Procesos internamente re"ersiles.+.3.%.- $orma analtica del enunciado de 0el"in-Planc@

+.%.- 7orolarios de la 2a. ley para ciclos termodinámicos.+.%.1.- 7orolario de 7arnot. 'imitaciones de la 2a. ley para ciclos de potencia.+.%.2.- 'imitaciones de 2a. ley para los ciclos de 6eri(eración y <oma de calor.

+.+.- Escala 0el"in de Temperatura+..- Má!imo desempe9o para ciclos operando entre dos reser"atorios.

+..1.- 7iclos de Potencia.+..2.-7iclos de 6eri(eración. <oma de calor.

+.5.- El 7iclo de 7=6:4T

Ca#'"ulo 1 - En"ro#'a

1. #ntroducción..1 #necuación de 7lausius. ;esi(ualdad de 7lausius..2 ;einición de la Variación de Entropa.3 Entropa de una sustancia, pura, compresile simple.

.3.1- Talas de Entropa.3.2- /ráicos de Entropa.3.3- Ecuaciones TdS.3.%- Variación de Entropa para un (as #deal.3.+- Variación de Entropa para una Sustancia #ncomprensile.

.% Variación de Entropa en los procesos internamente re"ersile.+ <alance de Entropa para Sistemas 7errados

.+.1- ;esarrollo del <alance de Entropa.+.2- $ormas del alance de entropia para Sistema 7errado.+.3- #lustraciones.+.%- Principio del =umento de Entropa

. <alance de Entropa para VolAmenes de 7ontrol...1- =nálisis del "olumen de control para 6e(imen Permanente.5 Procesos #sentrópicos

.5.1- &so de /ráicos y Talas de Propiedades.5.2- &tili)ación de Modelo de /as #deal

6.8. Efciencia Isentrópica de Turbinas, Boquillas, Compresores yBombas

BIB)I2G3AF4A5

1. 6anus A5 7engel5 TE6M4;#:BM#7=, Editorial Mc/raC ?ill. M*!ico 2DD :

+3.5-7%5 en la <#E 7entral.

3

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2. .an 8%len9 Sonn"ag 3ic:ard E5 $&:;=ME:T4S ;E TE6M4;#:BM#7=S,Ed. 'imusa Filey, Ed. 1G5H +3.5-V2+ <ie 7entral.

3. .irgil Moring Faires TE6M4;#:BM#7=, Ediciones &TE?=. M*!ico 1G5D.+3.5-$1 <ie 7entral.

%. Jaime *os"igo5 TE6M4;#:BM#7= TE46#= I P64<'EM=S, Ed. &:#

&ni"ersidad :acional de #n(eniera. 'ima. Edición 1GG3.1. Smi": ;5J5< ;arris J585 TE6M4;#:BM#7= P=6= #:/E:#E64S, +3.5-S1T.1. A,,o"" Mic:ael M5 TE46#= I P64<'EM=S ;E TE6M4;#:BM#7= +3.51-

=11.1. 3e%nolds 8illiam C5 TE6M4;#:BM#7=, +3.5-6%5.1. Jos/ 85 .as=ues TE6M4;#:BM#7= TE46#= I P64<'EM=S, +3.5-"3%1. T=<'=S TE6M4;#:BM#7=S5 +3.H-T2. 3olle >ur" C5,TE6M4;#:BM#7= +3.5-65H3. Burg:eard" M Da?id J #:/E:#E6K= TE6M4;#:BM#7= 21.%D21-<2%%. ;erman J5 S"oe?er5 #:/E:#E6K= TE6M4;#:BM#7=, Editorial 7E7S=.

M*!ico 1G5D : 21-SH2 en la <#E 7entral

%

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Ca#i"ulo $

Conce#"os % De&iniciones In'cialesIn"roducci@nEn este curso se presenta el estudio de la termodinámica, a8o el punto de "ista de la#n(eniera Mecánica, y los e8emplos de aplicación procuran aordar prolemasusualmente encontrados por los #n(enieros Mecánicos en el e8ercicio de su traa8o.En el desarrollo del curso son considerados los tópicos que constan en el silao.Vale enati)ar que la Termodinámica 7lásica, en su conceptuación macroscópica, es unaciencia que procura presentar los LecLos de orma ló(ica y mucLas "eces intuiti"a. Pero

por el LecLo de que mucLas cosas parecen o"ias cuando demostradas por otros,

quedamos con la impresión que todo es muy ácil y que saemos tami*n Lacer lasdemostraciones con la misma acilidad. Eso tiene con"encido para los estudiosos unasorpresa astante desa(radale en la Lora de "eriicar los conocimientos asimilados conel desarrollo de las prácticas e!perimentales.

Ca#i"ulo $ Conce#"os % De&iniciones In'ciales1.1.- Termodinámica1.2.- Sistemas Termodinámicos

1.2.1.- Tipos de Sistemas1.2.2.- Puntos de Vista Macroscópico y Microscópico

1.3.- Propiedad, Estado, Proceso y Equilirio

1.3.1.- Propiedades E!tensi"as e #ntensi"as1.3.2.- $ase y Sustancia Pura1.3.3.- Equilirio

1.%.- &nidades Para Masa, 'on(itud, Tiempo y $uer)a1.%.1.- S# - Sistema #nternacional y Sistema #n(l*s

1.+.- Masa Especica, Volumen Especico y Presión1.+.1.- Masa Especica y Volumen Especico1.+.2.- Presión

1..- Temperatura1..1.- Equilirio T*rmico1..2.- Termómetros

1..3.- Escala de temperatura de /as y Escala 0el"in S#1..%.- 4tras Escalas

1.5.- Metodolo(a Para 6esol"er Prolemas Termodinámicos.$5$ - Termodin!mica

;el /rie(o T?EME - 7='46 rama de la $sica y de la #n(eniera ;I:=M#S -$&E6>=

=An Lay "arios aspectos por los cuales la Termodinámica es conocida "iene desdela =nti(Nedad, su estudio ormal comen)ó en el si(lo O#O, moti"ado por la utili)acióndel 7='46 como uer)a motri). =ctualmente aspecto astante amplio, como cienciade la E:E6/#= y de las relaciones entre las P64P#E;=;ES de la materia.

En la $sica J el inter*s es comprender los undamentos de los comportamientos$sicos y umicos de la materia y usar los principios termodinámicos para estalecer relaciones entre las propiedades de la materia.

+

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En la #n(eniera J el inter*s en estudiar los sistemas y sus relaciones con el medioamiente.

'a si(uiente relación muestra al(unas de las áreas de aplicación de laTermodinámica en la #n(eniera

Motores de automó"iles

Turinas

<omas y 7ompresores

7entrales T*rmicas nucleares, comustiles ósiles, iomasa o cualquier otra

uente t*rmicaSistemas de propulsión para a"iones y coLetes

Sistemas de comustión

Sistemas crio(*nicos, separación de (ases y licueacción

7alentamiento, "entilación y aire acondicionado

6eri(eración por compresión de "apor, asorción o adsorción

<omas de calor

Sistemas ener(*ticos alternati"os

7*lulas de comustile

;ispositi"os termoel*ctricos e termoiónicos

7on"ersores ma(neto Lidrodinámicos M?;

Sistemas de apro"ecLamiento de la ener(a Solar para calentamiento,

reri(eración y producción de ener(a el*ctricaSistemas /eot*rmicos

=pro"ecLamiento de la ener(a de los oc*anos t*rmica, de las olas, y del mar

=pro"ecLamiento de la ener(a de los "ientos ener(a eólica

=plicaciones iom*dicas

Sistemas de suporte de "ida en Lospitales

Qr(anos artiiciales.

$5( - Sis"emas Termodin!micos

&n importante paso en toda analice en in(eniera es la identiicación precisa delo8eto a ser estudiado. En mecánica, cuando el mo"imiento de un cuerpo precisa ser determinado, normalmente el primer paso es la deinición de un 7&E6P4 '#<6E ydespu*s la identiicación de todas las uer)as e!ternas e8ercidas sore el por otroscuerpos. 'a se(unda ley del mo"imiento de :eCton es entonces aplicada.

En termodinámica, o t*rmino S#STEM= identiica el o8eto del análisis. Puede ser

un cuerpo lire o al(o comple8o como una 6einera completa. Puede ser la cantidad demateria contenida en un tanque de paredes r(idas o una tueri)ación a tra"*s de la cualla materia luye.

'a composición da materia dentro del sistema puede camiar reaccionesqumicas o nucleares.

='6E;E;46ESTodo lo que es e!terno al sistema.$64:TE6=Supericie real o ima(inaria que separa el sistema de su rontera.Puede estar en mo"imiento o reposo.;ee ser deinida cuidadosamente =:TES de procederse a cualquier análisis

termodinámica.

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Su deinición es aritraria y dee ser LecLa por la con"eniencia del análisis a ser LecLo.

Figura $5$. Sistema, alrededores y rontera

$5(5$5 Ti#os de Sis"emas

S#STEM= 7E66=;47antidad i8a de la materia. 'a Masa no entra, ni sale.

Figura $5(5- 'a masa no puede cru)ar las ronteras en un sistema cerrado, pero sila ener(a.

74:T64' ;E V4'&ME:

6e(ión del espacio a tra"*s del cual se produce el lu8o de masa. E8emplos

Figura $5+ &n sistema cerrado con una rontera mó"il.

Figura $5 &n "olumen de control puede tener ronteras i8as, mó"iles, reales oima(inarias.

5

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Figura $50 &n sistema aierto o "olumen de control, con una entrada y una salida.

4s. =l(unos autores utili)an denominaciones dierentes

S#STEM= 7E66=;4 R S#STEM= R 74:T64' ;E M=S=V4'&ME: ;E 74:T64' R S#STEM= =<#E6T4$64:TE6= R S&PE6$K7#E ;E 74:T64'

H

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$5(5(5 *un"os de .is"a Macrosc@#ico e Microsc@#icoM=764S7QP#74Este comportamiento en (eneral, todo el sistema. Este comportamiento en (eneral,todo el sistema. Este tratamiento se aplica en la termodinámica 7'BS#7=. Elsistema es tratado como un continuo.M#764S7QP#74El tratamiento que ten(a en cuenta la estructura de la materia. Se llama

termodinámica EST=;KST#7=. El o8eti"o se caracteri)a por la estadstica elcomportamiento promedio de las partculas y relacionarlo con el comportamientomacroscópico del sistema.

Para la (ran mayora de las aplicaciones en la in(eniera, la termodinámica clásicano sólo proporciona un acercamiento más directo al análisis y dise9o, sino tami*nrequiere menos complicaciones matemáticas.

$5+5 *ro#iedad9 Es"ado9 E=uili,rio % *roceso

P64P#E;=;

Macroscópicas caractersticas de un sistema, como masa, "olumen, potencia, presión y temperatura, que no depende de la Listoria del sistema. &na cierta cantidadmasa, "olumen, temperatura, etc. Es una propiedad si y sólo si, el camio de su "alor entre dos estados es independiente del proceso

EST=;47ondición del sistema, como se descrie por sus propiedades. 7omo con

recuencia se presentan las relaciones entre las propiedades, el EST=;4 puede ser caracteri)ado por un sucon8unto de propiedades. Todas las demás propiedades se

pueden determinar en t*rminos de este su(rupo.

P647ES47amio de estado deido al camio de una o más propiedades.

G

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EST=;4 EST=7#4:B6#4 :o Lay camios en las propiedades con el tiempo.

7#7'4 TE6M4;#:M#74Secuencia de los procesos que comien)an y terminan en el mismo estado.

E8emplo "apor circulando en un ciclo de potencia.

$5+5$5 *ro#iedades e"ensi?as e in"ensi?as

EOTE:S#V=SSu "alor para todo el sistema es la suma de los "alores de las acciones en elsistema se sudi"ide.;epende del tama9o y el alcance del sistema..Sus "alores pueden "ariar con el tiempo.E8emplo masa, ener(ia, y "olumen.

#:TE:S#V=S :o son aditi"os, como en el caso anterior. Sus "alores no dependen del tama9o yel alcance del sistema. ue puede "ariar de un lu(ar a otro dentro del sistema encualquier momentoE8emplo temperatura y presión.

$5+5(5 Fases % Su,s"ancias *uras

$=SE

7antidad de material que es Lomo(*nea tanto en composición como en estructurasica.

?omo(eneidad en la inraestructura sica si(niica que el asunto escompletamente sólido, lquido o (aseoso plenamente en su totalidad.

&n sistema puede contener una o más ases. E8emplo el a(ua y su "apor.Ten(a en cuenta que al(unos (ases y lquidos se pueden me)clar en cualquier

proporción para ormar una sola ase.

S&ST=:7#= P&6=Es in"ariale en su composición qumica y uniorme.Puede e!istir en más de una ase, siempre que la condición anterior, este

(aranti)ada$5+5+5 E=uili,rio

7oncepto undamental en termodinámica clásica, ya que se trata con los camiosentre estados de equilirio.

E&#'K<6#4 TE6M4;#:M#74#mplica en equilrios mecánico, t*rmico, de ase y qumico.&:#$46M#;=; ;E P64P6#E;=;ES E: E' E&#'K<6#4

:o "arian de un punto para otro.E!emplo la temperatura.

P647ES4 7&=S#-ESTBT#74

1D

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Proceso ideali)ado que consiste en una sucesión de estados de equilirio, cada unarepresentando una des"iación ininitesimal de la condición de equilirio procesoanterior Estoss procesos representan la ase para la comparación de los procesos reales.P647ES4S 6E='ES

Se componen de una sucesión de estados de no equilirio propiedades espacialesy temporales no uniormes, y las "ariaciones locales en el tiempo.

$55 Unidades *ara Masa9 )ongi"ud9 Tiem#o % Fuera Serán considerados 2 sistemas de &nidades S# J El Sistema internacional y el

Sistema #n(ls.$55$5 SI - Sis"ema In"ernacional % Sis"ema Ingls

Sis"ema Ingl/sMasa @( @ilo(ramos l o lm lira masa'on(itud m metros pie pies

Tiempo s se(undo s se(undo&nidad de $uer)a deri"ada l lira-uer)a

Tabla 1.1. Comparación del sistema SI e Inglés

;einiciones y con"ersiones

'on(itud 1 pie R 12 pul(adas R D,3D%H m Masa 1 lira R D,%+3+G235 @(

$ R ma1 : R 1 @( ! 1 m U s 2

1 l R %,%%H21+ :

Can"idad Unidad S'm,oloMasa @ilo(ramo @(

metroTiempo$uer)a :

Tabla 1.2. unidades de masa, longitud, tiempo y fuerza

Can"idad Unidad S'm,oloMasa

pieTiempo se(undo$uer)a lira-uer)a 32.15% l.t U s 2

Tabla 1.3. masa, longitud, tiempo y fuerza

$actor Prei8o Smolo $actor Prei8o Smolo

11

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1D 12 tera 1D -2 centi1D G (i(a 1D -3 mili1D me(a 1D - micro1D 3 @ilo 1D -G nano1D 2 1D -12 pico

Tabla 1.. !refi"os

$505 ?olumen es#ec'&ico % la #resi@n5

$505$5 s#ec'&ico

(p)

V R menor "olumen a la que puede ser la sustancia tratada como un mediocontinuo.V '-> dV V m '-> dm

p = dm / dV

Volumen especico v R 1 U p m 3 U @( en el S#

;o

$actores de con"ersión

y densidad1 @( R 2,2D% liras 1 lira R D.%+3 @(

Velocidad millas U L 1 milla U L R 1,DG3 @mL

Volumen

12

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$uer)a

Presión

Ener(a y

TranserenciaEner(a

caallos de uer)a1

Tabla 1.#. $actores de con%ersión entre el SI y el Sistema Inglés

$505(5 *resi@n

$luido en reposo en contacto con el area

Presión

;o

A '-> dA

'a presión en un WpuntoW es el mismo cualquiera que sea la orientación de =, siempreque el lquido está en reposo.

Para luidos en mo"imiento, la presión corresponde a la tensión normal sore =.

&nidades de presión

4tras unidades

Manómetros

manómetro tipo tuo en & <ourdon

13

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$515

Es una propiedad intensi"a como la presión y el "olumen.

;icil de deinir con ri(or ener(a cin*tica de las mol*culas de un (as perecto.

=s como la uer)a, el concepto de temperatura se deri"a de nuestra percepciónsensorial. Se distin(uen un cuerpo 1, es más caliente que un cuerpo 2, y esta máscaliente que un cuerpo de 3, etc. Sin emar(o, para una mayor sensiilidad que elcuerpo Lumano puede tener, no puede medir el "alor de esta propiedad. Por lo tanto, esnecesario el uso de dispositi"os adecuados termómetros y escalas de temperaturaadecuada para cuantiicar esta propiedad.

$515$5

=s como masa, lon(itud y tiempo, es dicil deinir la temperatura en t*rminos deconceptos, independientes o aceptados como primarios. Sin emar(o, es posile lle(ar aun entendimiento o8eti"o de la i(ualdad de las temperaturas usando el LecLo de quecuando los camios de temperatura de un cuerpo, otras propiedades tami*n camian.

Por lo tanto la medida de estas propiedades, como el "olumen, la resistencia el*ctrica se puede asociar a una temperatura dada. El dispositi"o que lle"a a cao esta medida es eltermómetro.

Si tomamos dos loques de core, uno más caliente que el otro y los ponemos los dosen contacto, Lará interacción entre ellos y el loque más rio enriara al más caliente ymás ro será calentado. 7uando las interacciones cesen las cantidades mediles de8aránde "ariar los loques estarán en equilirio t*rmico y por lo tanto la misma temperatura.El tiempo requerido para alcan)ar el equilirio depende del contacto entre ellos, y si los

loques se encuentran aislados del amiente para el intercamio de ener(a se producirasólo entre los dos loques.

=l(unas deiniciones

F='' Permite la interacción t*rmica intercamio de calor.

=islante #deal -X no permite interacción t*rmica.

Proceso de un sistema rodeado por una pared adiaática.T R constante.

'ey 7ero de la Termodinámica 7uando dos cuerpos están en equilirio con un tercer cuerpo que tami*n estará en equilirio entre s no se aplica al equilirio qumico yase.

Term@me"ros

1%

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Estos dispositi"os utili)an una sustancia Wtermom*tricaW que ten(a al menos una propiedad "ara con la temperatura.

'quido en el ulo "olumen muy preciso Lidró(eno o Lelio presión :orma #nternacional para determinadas a8as

temperatura Termopares em - uer)a electromotri) Termistores resistencia el*ctrica Pirómetros radiación t*rmica.

de "em#era"ura de gas % Escala >el?in SI

Punto de reerencia estalecidas el punto triple del a(ua equilirio entre el Lielo, ela(ua y el "apor de a(ua R 253,1 0 presión R D,113 Pa R D,DD atm. 7reada por acuerdo internacional - es ácilmente reproducile.

Punto de Lielo equilirio entre Lielo, a(ua y aire a 1 atmósera 253,1+ 0.Punto de "apor equilirio entre el a(ua lquida y su "apor a 1 atm. 353,1+ 0.#nter"alo entre el punto de Lielo y el punto de "apor R 1DD 0.

Termómetro de (as no puede ser utili)ado por dea8o de 1 0 y temperaturas muy altas.$uera de all, las escalas de (as y el 0el"in coinciden.

$5155

7E'S#&S

T

'os primeros pasos en un análisis termodinámico son

#dentiicación de interacciones rele"antes con el medio que lo rodea.

Estalecer

'o que se sae resumir el prolema en pocas palaras 'o que se usca resumir lo que se quiere Esquema y los datos con8unto del sistema sistema cerrado o de control de

"olumen - ;eterminación de la rontera =note la inormación pertinente y los datos 'as Lipótesis

1+

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=nálisis LecLo sore las ecuaciones conser"ación de la masa, laconser"ación de ener(a, la se(unda ley de la termodinámica7omentarios interpretaciones.

1

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15

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Cues"ionarios - *ro,lemas

$-$C Cu!l es la di&erencia en"re los en&o=ues cl!sico % es"ad's"ico de la"ermodin!mica5

Termodinámica clásica se asa en oser"aciones e!perimentales, 7onsiderandoque la termodinámica estadstica se asa en el comportamiento promedio de(randes (rupos de partculas.

$-(C *or =u/ un ciclis"a ad=uiere ?elocidad en un camino cues"a a,aHo aúncuando no es"/ #edaleando .iola es"o el #rinci#io de la conser?aci@n de laenerg'a

En un camino de descenso, la ener(a potencial de la ciclista se está con"irtiendoen ener(a cin*tica, y, por tanto, el ciclista toma "elocidad. ?ay no creación deener(a y por lo tanto nin(una "iolación del principio de conser"ación de la

ener(a.

$-+C Un o&icinis"a a&irma =ue una "aa de ca&/ &r'o so,re sus mesa se calen"@ :as"aKC "omando energ'a del aire circundan"e9 el cual es"! a una "em#era"ura de(0KC5 ;a% algo de cier"o en es"a a&irmaci@n Es"e #roceso ?iola alguna le%de la "ermodin!mica

:o Lay nin(una "erdad a su reclamación. Viola la se(unda ley de latermodinámica.

Masa9 &uera % unidades

$-C Cu!l es la di&erencia en"re li,ra-masa % li,ra &uera

'ira-masa es la unidad de masa en el sistema in(l*s, mientras que la lira-uer)al es la unidad de la uer)a. &na lira-uer)a es la uer)a necesaria para acelerar una masa de 32.15% lm por 1 tUs2. En otras palaras, el peso de una masa de 1-lm al ni"el del mar es 1 l 5

$-0C Cu!l es la di&erencia en"re Lg-masa % Lg-&uera

0(-masa es la unidad de masa del sistema internacional, 7onsiderando que @(-

uer)a es una unidad de uer)a. 1-@(-uer)a es la uer)a necesaria para acelerar una masa de 1 @( por G.HD5 mUs2. En otras palaras, el peso de la masa de 1 @( ani"el del mar es de 1 @(-uer)a.

$-1C Cu!l es la &uera ne"a =ue ac"ua so,re un au"om@?il =ue ?iaHa a una?elocidad cons"an"e de Lm:r9 a so,re un camino #lano % , en unacarre"era cues"a arri,a

:o Lay nin(una aceleración, por lo tanto la uer)a neta es cero en amos casos.

$- Un de#@si"o de #las"ico de + Lg =ue "iene un ?olumen de 5( m+ es llenado con

agua5 Si se su#one =ue la densidad de es"e l'=uido es $ Lgm+

9 de"ermine el#eso del sis"ema com,inado5

1H

8/17/2019 Cap 1 termo I 2016



Un tanque de plástico está lleno de agua. El peso del sistema combinado es que se

detemina.

&sumimos! "a densidad del agua es constante a lo lago del sistema.

!ropiedades de la densidad del agua esta dada po # = $%%% &g/m.

&n'lisis de la masa del agua en el tanque la masa total son

m =YV =1DDD @(Um3D.2 m3 R 2DD @(mtotal R m * mtan@ = 2DD Z 3 R 2D3 @(

=sW = mg = (203kg ) (9.81 m/s

2 )(1 N

1kg∗m/s2 )= 1991 N

6espuesta.

$- De"ermine la masa % el #eso del aire con"enido en una :a,i"aci@n cu%asdimensiones son 1 m 1 m m5 Su#onga =ue la densidad del aires es $5$1Lgm+5

Se dan las dimensiones interiores de una Laitación. 'a masa y el peso del aire enla Laitación son los resultados que se determinan.

Suponems la densidad del aire es constante a lo lar(o de la Laitación.Propiedades de que la densidad del aire es dado a ser ρ R 1.1 @(Um3.

=naliis 'a masa del aire en la Laitación es

m O P . R 1.1 @(Um3 !!!H m3 R ++5$ Lg

=sW = mg = (334.1kg ) ( 9.81 m/s

2 ) (1 N

1 kg∗m /s2 )= 3277 N

6espuesta.

$-Q En la la"i"ude 0K9 la aceleraci@n gra?i"acional como &unci@n de la al"ura

so,re el ni?el del mar es"! dada #or gOa-,9 donde aOQ5 ms ( % ,O+5+($-1s-(5 De"ermine la al"ura so,re el ni?el del mar donde el #eso de un o,He"odisminuir'a en $ #or cien"o5

'a "ariación de aceleración (ra"itatoria por encima del ni"el del mar se da enunción de la altitud. 'a altura a la que el peso de un cuerpo disminuirá un 1[ esque se determinen.

ni?el del mar

Análisis el peso de un cuepo en la + de elevaci,n puede se epesado como

= mg = m ( G.HD5 J 3.32 \ 1D) #

En el caso que se usca

1G

?aitacióncon aire\\H m3

8/17/2019 Cap 1 termo I 2016



= %. s R D.GG m(s R D.GG m G.HD5 ##Sustituyendo en # con ##

D.GG G.HD5 R ( G.HD5 J 3.32 \ 1D) R (Q90+Q m 6espuesta.

$-$E Un as"ronau"a de $0 l,m lle?a a la )una su ,!scula de ,aRo una ,alanade resor"e % una ,!scual de cru =ue se com#ara masas5 A:'9 la gra?edadlocal es gO05 &"s( De"ermine cuan"o #esar! a so,re la ,!scula de resor"e% , so,re la ,!scula de cru5

&n astronauta lle"ó sus escalas con *l al espacio. Es que se determinen cuánto pesará enlas escalas de resorte y la escala de cru) en el espacio de la 'una.

&n'lisis a 'a escala de resorte mide el peso por la uer)a (ra"itacional aplicada alcuerpo

F R m( R 1+D lm +.%H tUs2 (1lbf

32.2lbm*ft/ s2 ) R (050 l,& 6espuesta a

b &na escala de cru) compara de masas y, por tanto, no se "e aectada por las"ariaciones en la aceleración (ra"itacional. 'a escala de cru) leerá lo que lee en latierra,

R$0l,& 6espuesta

$-$$ )a aceleraci@n de un a?i@n de al"a ?elocidad se e#resa en ?alores de gmúl"i#los de aceleraci@n es"!ndar de la gra?edad5 De"ermine la &ueraascenden"e9 en N9 =ue e#erimen"ara un :om,re de Q Lg en un a?i@n cu%aaceleraci@n es 1 g5

'a aceleración de un a"ión es dado en (]s 'a uer)a neta de ascendente a un Lomre enlos a"iones es que se determinen.An!lisis de la la segunda le% de Ne"on9 la &uera a#licada es

$ R ma R m( R GD @( lm \ G.H1 mUs2 ( 1N

1kg . m*mt/ s2 ) R 0(Q N

6espuesta

$-$( Una roca de 0 Lg se lana :acia arri,a con una &uera de $0 N en un lugardonde la aceleraci@n gra?i"acional es de Q5Q ms( de"ermine la aceleraci@n dela la roca en ms(5

=nalisis&na roca es lan)ada Lacia arria con una uer)a especiica. 'a aceleración de la roca esque determinada.

$ R m( R + @( lm G.5G mUs2 ( 1N

1kg . m*mt/ s2 ) R 5Q0 N 6espuesta

Entonces es la uer)a neta que actAa sore la roca

2D

8/17/2019 Cap 1 termo I 2016



$neta R $arria J $aa8o R 1+D J %H.G+ R 1D1.D+ :

;esde la la se(unda ley de :eCton, se con"ierte en la aceleración de la roca

a R

F

m=

101.05 N

5 kg

(1 kg*m/ s

2

1 N

)=¿ (5( ms(5 3es#ues"a5

$-$+ EES 3esuel?a el #ro,lema $5$( con el EES u o"ro so&"are ;aga unaim#resi@n de la soluci@n com#le"a inclu%endo los resul"ados num/ricos conlas unidades a#ro#iadas5

Prolema 1-12 es e!aminada de nue"o. 'a solución completa de la EEE es aimprimirse, incluidos los resultados num*ricos con unidades adecuadas.

&n'lisis El prolema está resuelto mediante EEE, y a continuación se orece lasolución.El pro(rama es

FRm\(W^:_WmR+W^@(_W(RG,5GW^mUs`2_WW El equilirio de uer)a en la roca da la uer)a neta que actAa sore la roca como W$net R $up - $doCnW^:_W$upR1+DW^:_W$doCnRFW^:_WW 'a aceleración de la roca se determina a partir de la se(unda ley de :eCton.W$netRa\mW Para e8ecutar el pro(rama, pulse $2 o La(a clic en el icono de la calculadora en elmenA de calcular W

6esultadosaR2D,21$doCnR%H,G+$netR1D1,1$upR1+D(RG,5GmR+FR%H,G+

S4'&T#4:aR2D.21 ̂ mUs`2_$doCnR%H.G+ ̂ :_$netR1D1.1 ̂ :_$upR1+D ̂ :_(RG.5G ̂ mUs`2_mR+ ^@(_FR%H.G+ ̂ :_

$5$5 El ?alor de la aceleraci@n gra?i"acional disminu%e con la al"ura desde

Q5 ms( al ni?el del mar :as"a Q51 ms ( una al"i"ud de $+ m9 =ue es#or donde ?iaHan los grandes a?iones de #asaHeros5 De"ermine la reducci@n

21

8/17/2019 Cap 1 termo I 2016



#orcen"ual de #eso de un a?i@n =ue ?uela a $+ m con relaci@n a su #esoa ni?el del mar5

'a aceleración (ra"itacional (, y asimismo el peso de los cuerpos disminuyecon el aumento de ele"ación. 'a reducción porcentual en el peso de un a"ión

de crucero a 13.DDD metros es lo que se determinara.

*ro#iedades la aceleración (ra"itacional ( se da desde G.HD5 mUs 2 a ni"el delmar y G.55 mUs2 a una altitud de 13.DDD metros.

An!lisis El Peso es proporcional a la aceleración (ra"itacional (, y por lotanto la reducción porcentual en peso es equi"alente a la reducción porcentualen la aceleración (ra"itacional, que se determina a partir

[ 6edución del peso R [ 6edución ( R∆g

g ∗

100=

9.807−9.767

9.807 ∗

100=

0. 41

Por lo tanto, el a"ión y la (ente en *l, su peso es D,%1[ menos a 13.DDD metrosde altitud.Discusi@n se nota que la p*rdida de peso a una altitud de "uelo del crucero esinsi(niicante.

$5$0C5- )a ma%or #ar"e de la energ'a =ue se genera en el mo"or de un au"om@?il se"rans&iere al aire median"e el radiador #or el =ue circula agua5 Elradiador se de,e analiar como un sis"ema cerrado o como un sis"ema

a,ier"o5 E#li=ue su res#ues"a.

El radiador dee ser anali)ado como un sistema aierto desde la masa que estácru)ando los lmites del sistema.

$5$1C5- Una la"a de ,e,ida car,ona"ada a "em#era"ura am,ien"e se me"e alre&rigerador #ara se en&rie5 Considerar'a a la la"a como un sis"emacerrado o como un sis"ema a,ier"o E#li=ue su res#ues"a.

&na lata de reresco dee ser anali)ada como un sistema cerrado, ya que noLay masa que este cru)ando los lmites del sistema.

$5$C5- Cu!l es la di&erencia en"re #ro#iedades in"ensi?as % e"ensi?as

Propiedades intensi"as no dependen del tama9o e!tención o medida delsistema, pero las propiedades e!tensi"as si.

$5$C5- *ara =ue un sis"ema es"e en e=uili,rio "ermodin!mico la "em#era"ura % la#resi@n "ienen =ue ser la mismas en "odas #ar"es

Para un sistema en equilirio termodinámico, la temperatura tiene que ser la

misma en todo, pero la presión no. Sin emar(o, no deera Laer nin(unauer)a de presión desequilirando el sistema. Por e8emplo, el aumento de la

22

8/17/2019 Cap 1 termo I 2016



presión con proundidad en un luido, deera ser equilirada mediante elaumento de peso

$5$Q5C5- u/ es un #roceso en cuasie=uili,rio Cu!l es us im#or"ancia en laingenier'a

&n proceso durante el cual un sistema permanece casi en equilirio en todomomento se llama un proceso de quasi-equilirium. MucLos procesos dein(eniera se pueden apro!imar como quasi-equilirium. El resultado de lalaor de un dispositi"o es má!imo y la entrada de traa8o a un dispositi"o esmnima cuando se utili)an los procesos de quasi-equilirium en lu(ar de

procesos de nonquasi-equilirium.

$5(C5- De&ina los #rocesos iso"/rmicos9 iso,!rico e isoc@rico5

&n proceso durante el cual la temperatura permanece constante se llama

isot*rmico un proceso durante el cual la presión se mantiene constante sedenomina isoarico y un proceso durante el cual el "olumen permanececonstante se llama isocórico.

$5($C5- Cu!l es el #os"ulado de es"ado

El estado de un sistema simple compresile es completamente especiicado por dos propiedades intensi"as, independientes.

$5((C5- El es"ado del aire en una :a,i"aci@n com#le"amen"e aislada se es#ec'&ica#or com#le"o median"e la "em#era"ura % la #resi@n E#li=ue sures#ues"a.

S, porque la temperatura y la presión son dos propiedades independientes y elaire en una sala aislada es un sistema simple compresile

$5(+C5- u/ es un #roceso de &luHo es"a,le

&n proceso se dice que es de lu8o estale si no Lay camios con el tiempo encualquier lu(ar dentro del sistema o en los lmites del sistema.

$5(C5- u/ es la densidad rela"i?a C@mo se relaciona con la densidad'a (ra"edad especica, o la densidad relati"a y se deine como la relación dela densidad de una sustancia a la densidad de al(una sustancia estándar a unatemperatura especiicada (eneralmente a(ua a % b 7, para que Y?24 R 1DDD@(Um3. Es decir, S/ R YUY?24 R. 7uando se conoce la (ra"edad especica, sedetermina la densidad de Y R S/ \ Y?24.

$5(0EES5- )a densidad del aire a"mos&/rico ?aria con la al"ura9 disminu%e con elaumen"o de al"i"ud5

a Con los da"os de la "a,la o,"enga una relaci@n #ara la densidad con la

al"ura % calcule la densidad a una ele?aci@n de m5

23

8/17/2019 Cap 1 termo I 2016



, Calcule la masa de la a"m@s&era con la correlaci@n o,"enida5 Su#onga=ue la "ierra es una es&era #er&ec"a con un radio de 1+ Lm9 % "ome eles#esor de la a"m@s&era con (0 Lm5

'a "ariación de la densidad del aire atmos*rico con ele"ación se da en orma

de tala. &na relación para la "ariación de densidad con ele"ación es aotenerse, la densidad a 5 @m de altitud es la primera pre(unta y la masa de laatmósera mediante la correlación dee ser estimada.

&sumimos

$ =ire atmos*rico se comporta como un (as ideal.( 'a tierra es perectamente eserica con un radio de 355 @m, y el espesor de

la atmósera es de 2+ @m.

!ropiedades 'os datos de densidad se dan en orma taular como

r 9 Lm z 9 Lm P9 Lgm+355 D 1.22+35H 1 1.11235G 2 1.DD53HD 3 D.GDG33H1 % D.H1G%3H2 + D.53%3H3 D.D13H+ H D.+2+H3H5 1D D.%13+

3G2 1+ D.1G%H3G5 2D D.DHHG1%D2 2+ D.D%DDH

0 !0 ! "0 " #0

0

0."

0.$

0.6

0.8

!

!."

!.$

ρ, kg/m3

ρ, %&'m#

&nalisis

1 ;einir una unción tri"ial rLo R a Z ) en la "entana de la ecuación,2 Seleccione :ue"a tala param*trica de talas y escria los datos en una

tala de dos columnas,3 Seleccionar en E!cel los datos, y tra)ar la cur"a.

2%

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% Seleccione la cur"a tra)ada y La(a clic en Wcur"a de a8usteW para otener la"entana de la cur"a de a8uste. = continuación, especiicar el polinomio dese(undo orden y ecuación de escriir y editar. 'os resultados son

Y + R a Z b+ Z c+ 2 R 1.2D2+2 J D.1D15% + Z D.DD2235+ + 2 por unidad de Lgm+,

o, Y + R 1.2D2+2 J D.1D15% + Z D.DD2235+ + 21DG por unidad de LgLm+

donde ) es la distancia "ertical desde la supericie de la tierra al ni"el del mar. 'aresolución de la ecuación a + R 5 @m, P O 51 Lgm+, 3es#ues"a a

b 'a masa de la atmósera puede ser e"aluada por la inte(ración a ser

m = ∫V

❑

ρ dV = ∫z0

h

( !"bz"# z2 ) 4$ ( %0+ z )2 dz=4$∫

z0

h

( !"bz"# z2) ( %0+ z )2 dz

¿4$ [ a r0

2&" r0 (2!"b r0 ) &2

2 +

(!"2br 0+c %0

2)&3

3 +

(b"2#%0 ) &4

4 +

# &5

5 ]donde r D R 355 @m es el radio de la tierra, L R 2+ @m es el espesor de la

atmósera y a R 1.2D2+2, R-D.1D15% y c R D.DD2235+ son las constantes enla unción de densidad. Sustituyendo y multiplicando por el actor de 1D G parala unidad de densidad @(U@m3, la masa de la atmósera se determina que es

m R 05Q($$ Lg 3es#ues"a ,

(iscusión 0eali+a el análisis con ecel endi1a eactamente los mismos

esultados.

EES Solución para el resultado inalaR1.2D2+1

R-D.1D15cRD.DD2235+rR355LR2+mR%\pi\a\r`2\LZr\2\aZ\r\L`2U2ZaZ2\\rZc\r`2\L`3U3Z

Z2\c\r\L`%U%Zc\L`+U+\1EZG

Tem#er"ura

$5(1C5- u/ es la le% cero de la "ermodin!mica

'a 'ey cero de la termodinámica estalece que dos cuerpos están en equiliriot*rmico, si amos tienen la misma temperatura de lectura, incluso si no estánen contacto

$5(C5- Cu!les son las escalas de "em#era"ura ordinaria % a,solu"a en el SI % en elsis"ema ingl/s

2+

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Son celsiusb7 y @el"in 0 en el S# y aLrenLeit b $ y ran@ine 6 en elsistema in(l*s

$5(C5- Considere un "erm@me"ro de alco:ol % o"ro de mercurio =ue marcan

eac"amen"e KC en el #un"o de :ielo% $K en el #un"o de ?a#or5 )adis"ancia en"re los dos #un"os se di?ide en $ #ar"es iguales en am,os"erm@me"ros5 Cree =ue es"os "erm@me"ros dar!n eac"amen"e la mismalec"ura a una "em#era"ura de9 #or eHem#lo9 1KC E#li=ue su res#ues"a

Proalemente, pero no necesariamente. 'a operación de estos dostermómetros se asa en la e!pansión t*rmica de un luido. Si los coeicientesde la e!pansión t*rmica de amos luidos "aran linealmente con latemperatura, amos lquidos se e!panden a la misma "elocidad con latemperatura, y amos termómetros siempre darán lecturas id*nticos. ;e locontrario, pueden des"iarse las dos lecturas.

$5(Q )a "em#era"ura de un #ersona saluda,le es +KC Cu!l es el ?alor enLel?ins

Se da una temperatura en b 7. Es a e!presarse en el análisis de @. estárelacionada con la escala 0el"in a 7elsius escala por T0_ R Tb7 Z 253 asi,

2 0_ R 35b7 Z 253 R +$ >

*resi@n9 man@me"ro % ,ar@me"ro

$5+C5-Cu!l es la di&erencia en"re la #resi@n manom/"rica % la a,solu"a

'a presión relati"a a la presión atmos*rica se llama la presión manom*trica, yla presión relati"a a un "aco asoluto se llama presión asoluta.

$5+0C5- E#li=ue #or =u/ a grandes al"uras algunas #ersonas e#erimen"an:emorragia nasal % o"ras di&icul"ades #ara res#irar.

'a presión atmos*rica, que es la presión e!terna e8ercida sore la piel,disminuye con el aumento de ele"ación. Por lo tanto, la presión es menor en las

ele"aciones más altas. 7omo resultado, la dierencia entre la presión de lasan(re en las "enas y el aire presión e!terior aumenta. Este desequilirio de presión puede causar al(unas "enas de paredes del(adas tales como los de lanari) a estallar, causando san(rado. 'a diicultad para respirar es causado por la menor densidad del aire en ele"aciones más altas y as disminuir la cantidadde o!(eno por unidad de "olumen

$5+1C5-Alguien a&irma =ue la #resi@n a,solu"a en un l'=uido de densidad cons"an"ese du#lica si la #ro&undidad aumen"a al do,le5 Es"a de acuerdo E#li=uesu res#ues"a.

2

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:o, la presión asoluta en un lquido de densidad constante no dola cuando la proundidad se duplica. Es la presión manometrca, que se duplica cuando seduplica la proundidad

$5+C5- Un diminu"o cu,o de acero se sus#ende en agua a "ra?/s de una cuerda5 silas longi"udes de los lados del cu,o son mu% #e=ueRas5 c@mo com#arar'a

las magni"udes de las #resiones arri,a9 a,aHo % a los lados del cu,o

Si la lon(itud de los lados del peque9o cuo suspendido en el a(ua por unacadena es muy peque9a, las ma(nitudes de las presiones por todos los lados delcuo será el mismo

$5+C5- E#rese la le% de *ascal % d/ un eHem#lo real en relaci@n con es"a le%5

El principio de Pascal estalece que la presión aplicada a un luido coninadoincrementa la presión a lo lar(o de la misma cantidad. Esto es unaconsecuencia de la presión en un lquido permanecer constantes en la dirección

Lori)ontal. &n e8emplo de principio de Pascal es el uncionamiento de lacla"i8a de cocLe Lidráulico

$5+QC5- Considere dos ?en"iladores iden"icos =ue giran a ?elocidade "am,ieniden"icas9 uno se :alla a n'?el Del mar % el o"ro en la cima de una granmon"aRa5 C@mo com#arar'aa los &luHos ?olum/"ricos9 %, los &luHos m!sicos de es"os dos ?en"iladores

'a densidad del aire a ni"el del mar es mayor que la densidad del aire en la parte superior de una alta monta9a. Por lo tanto, las tasas de lu8o de "olumende los dos "entiladores e8ecutando a "elocidades de id*nticas será el mismo,

pero el caudal másico del "entilador del ni"el del mar será superior.

$- Un medidor de ?!cio conec"ado a una c!mara indica +0 L*a en un lugardonde la #resi@n a"mos&/rica es de Q( L*a5 De"ermine la #resi@n a,solu"ade la cmara5

'a presión en una cámara de "aco se mide por un "al"ula al "aco. 'a presiónasoluta en la cámara es lo que se dee determinar.

&n'lisis 'a presión asoluta en la cámara se determina a partir

Pas R Patm J P"ac R G2 J 3+ R +5 @Pa, 6espuesta.

25

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$-$E – Se u"ilie un man@me"ro #ara medir la #resi@n de aire en un reci#ien"e5 El&luido u"iliado "iene una densidad rela"i?a de $5(0 % la di&erencia de al"ura

en"re las dos ramas del man@me"ro es de ( #ulgadas5 Si la #resi@na"mos&/rica local es de $(5 #sia9 de"ermine la #resi@n a,solu"a en elreci#ien"e #ara los casos de la rama del man@me"ro cona el ma%or ni?el del &luido %, el menor ni?el de &luido5

'a presión en un tanque se mide con un manómetro midiendo la altura

dierencial del luido manómetro. 'a presión asoluta en el tanque es quedetermine que los casos del ra)o manómetro con el mayor y el menor ni"el delquido que se ad8unta al tanque.

&sumimos El lquido en el manómetro es incompresile. !ropiedades 'a (ra"edad especica del lquido considerado es S/ R 1,2+. 'adensidad del a(ua a 32 b $ es 2,% lmUt3 tala =-3E

&n'lisis 'a densidad del lquido se otiene multiplicando su (ra"edadespecica por la densidad del a(ua,

Y R S/ \ Y?24 R 1.2+ 2.% lmUt3 R 5H.D lmUt3

'a dierencia de presión correspondiente a una altura de dierencial de 2H

pul(adas entre las dos ramas del manómetro es

P R Y(L R 5H lmUt3 32.15%tUs2 2HU12tUs2 1 t2U1%% in2 R 1.2psia

= continuación, las presiones asolutas en el tanque para los dos casos se con"ierte en

a El ni"el de lquido en el ra)o que se ad8unta al tanque es mayor "acoPas R Patm J P"ac R 12.5 J 1.2 R $$5 #sia, 6espuesta

b El ni"el de lquido en el ra)o que se ad8unta al tanque es ineriorPas R Patm Z P"ac R 12.5 J 1.2 R $+5Q1 #sia, 6espuesta

2H

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(iscusión Ten(a en cuenta que podemos determinar si la presión en un tanque es por encima o por dea8o de la presión atmos*rica simplemente oser"ando el ladodel ra)o manómetro con el mayor ni"el de lquido.

$-0(5 El ,ar@me"ro de un mon"aRis"a regis"ra Q+ m,ars al #rinci#io de un

ascenso % m,ars al &inal5 Sin considerar el e&ec"o de la al"i"ud so,re laaceleraci@n gra?i"acional local de"ermine la dis"ancia ?er"ical escalada5Su#onga una densidad #romedio del aire a $5( Lgm+

&n e!cursionista de monta9a re(istra la lectura arom*trica antes y despu*s deun "ia8e de monta9ismo. Es la distancia "ertical suida la que se determina .

&sumimos 'a "ariación de la densidad del aire y la aceleración (ra"itatoria conaltitud es insi(niicante.

!ropiedades 'a densidad del aire es dado y es Y R 1.2D @(Um3.

&n'lisis Teniendo una columna de aire entre la parte superior y la parte inerior

de la monta9a y escriiendo un equilirio de la uer)a por unidad de área ase,otenemos

Fair U= R Paa8o - Parria

Y(Lair U= R Paa8o - Parria

1.2D @(Um3 G.H1 mUs2 L 1 :U1 @(\mUs2 l arU1DD,DDD :Um2UD.G3D J D.5Har R D

3 R $( m 3es#ues"a9 que tami*n es la distancia que se suió.

$50+5- El ,ar@me"ro ,!sico se #uede u"iliar #ara medir la al"ura de un edi&icio5 Silas lec"uras ,arm/"ricas en la #ar"e su#erior % en la ,ase del edi&icio son+ % 00 mm ;g res#ec"i?amen"e9 de"ermine la al"ura del edi&icio5 Tomelas densidades del aire % del mercurio como $5$ Lgm+ % $+1 Lgm+9res#ec"i?amen"e5

2G

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&n arómetro se utili)a para medir la altura de un ediicio mediante la lecturaen la parte inerior y en la parte superior del ediicio. 'a altura del ediicio esque se determina.

=sumimos en que la "ariación de la densidad del aire con la altitud esinsi(niicante.

!ropiedades 'a densidad del aire es dado a ser Y R 1.1H @(Um3. 'a densidad del mercurio es 13,DD @(Um3.

&n'lisis Presión atmos*rica en la parte superior y en la parte inerior delediicio son

Parria R Y(Larria

Parria R 13,DD @(Um3 G.HD5 mUs2 D.53Dm 1 :U1 @(\mUs2 l 0paU1DDD :Um2

R G5.3 @Pa.

Paa8o R Y(Laa8o

Paa8o R 13,DD @(Um3 G.HD5 mUs2 D.5++m 1 :U1 @(\mUs2 l 0paU1DDD :Um2R 1DD.5D @Pa.

Teniendo una columna de aire entre la parte superior y la parte inerior delediicio y escriir un equilirio de la uer)a por unidad de área ase, otenemos

Fair U= R Paa8o - Parria

Y(Lair U= R Paa8o - Parria

1.1H @(Um3 G.HD5 mUs2 L 1 :U1 @(\mUs2 l @PaU1DDD :Um2U1DD.5DJG5.3@PaR D

3 R (51 m 3es#ues"a9 que tami*n es la altura del ediicio.

$505EES5- 3esuel?a el #ro,lema $50+ con el so&"are EES u o"ro5 Im#rima lasoluci@n com#le"a e inclu%a los resul"ados num/ricos con las unidadesa#ro#iadas.

P_abajo=755"[mmHg]"P_arriba=730"[mmHg]"

3D

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g=9.807 "[m/s^2]" "aceleració local !e la grae!a! a iel !el mar "r#o=$.$8"[%g/m^3]"&'()*P_abs=+P_abajo,P_arriba-1')+4mmHg44%Pa4-"[%Pa]" "&el6a P lee!o !elbarome6ro coer6i!o !e mmHg a %Pa."&'()*P_# =r#og#/$000 "[%Pa]" "'. $,$. &el6a P los !os es el :li!o !e aire colmaa6ra # e6re (a cima ; la base !el e!i:icio."

"!ii!ie!o e6oces <or $000 Pa/%Pa oso6ros <o!emos 6eer la ml6i<licació r#og# <or el'' :cio 1')+4Pa44%Pa4-"&'()*P_abs=&'()*P_#(>)?1o ariables Prici<ales&'()*P_abs=3.333 [%Pa]&'()*P_#=3.333 [%Pa]g=9.807 [m/s^2]#=288 [m]P_abajo=755 [mmHg]P_arria=730 [mmHg]r#o=$.$8 [%g/m^3]

$50 Un gas es"! con"enido en un dis#osi"i?o ?er"ical de cilindro % /m,olo en"re los=ue no :a% &ricci@n5 El /m,olo "iene una masa de Lg % un !rea de secci@n"rans?ersal de +0 cm(5 Un resor"e com#rimido so,re el /m,olo eHerce una&uera de 1 N5 Si la #resi@n a"mos&/rica es de Q0 L*a9 calcule la #resi@nden"ro del cilindro.

&n (as contenido en un dispositi"o de pistón-cilindro "ertical está presuri)ado por un muelle resorte y por el peso del pistón. 'a presión del (as es que sedetermina .

&n'lisis El dia(rama de cuerpo lire del pistón de diu8o y equilirio entre elrendimiento de uer)as "erticales. Sprin( R resorte

P= R Patm = ZF Z$resorte

=si

31

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' = 'atm+mg " Fresorte

(

' = 95 k'!)4 kg)9.81 m /s

2 " 60 N

35∗104 m2

(1 k'!

1000N/ m2

)* O $(+5 L*a5 3es#ues"a.

$50EES .uel?a al #ro,lema $50 % con el so&"are EES u o"ro in?es"igue el e&ec"ode la &uera del resor"e en el in"er?alo de a 0 N so,re la #resi@n den"rodel cilindro5 Gra&i=ue la #resi@n en &unci@n de la &uera del resor"e %

analice los resul"ados.Prolema 1-+5 es e!aminada de nue"o. El eecto del muelle-resorte de la uer)a en elran(o de D a +DD : la presión interior del cilindro es para ser in"esti(ado. 'a presióncontra la uer)a del resorte es para representarse (ráicamente y resultados son para ser discutidos.

&n'lisis El prolema está resuelto mediante EEE, y a continuación se orece lasolución.(RG.HD5W^mUs`2_WPatmR G+W^@Pa_WmpistonR%W^@(_Wf$resorteRDW^:_Wg=R3+\74:VE6Tcm`2,m`2W^m`2_WFpistonRmpiston\(W^:_W$atmRPatm\=\74:VE6T@Pa,:Um`2W^:_WW ;esde el dia(rama de cuerpo lire del pistón, ceder las equilirio de las uer)as"erticalesW$(asR $atmZ$sprin(ZFpistonW^:_WP(asR$(asU=\74:VE6T:Um`2,@PaW^@Pa_W

@resor6e

[1]Pgas [%Pa]

0 $0.2

55.5 $22.$

$$$.$ $38$.7 $53.8

222.2 $9.7

277.8 $85.

333.3 20$.A

388.9 2$7.3

AAA.A 233.2

500 2A9.$

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SOLUCIONARIO

1":

edi"ion Sonn"agBorgnaLLe8%len

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CAPITULO 2PROBLEMAS SISTEMA DE UNIDADES SICONTENIDOSUBSECCIONES PROBLEMAS Nº.Correspondence tableConceptos ( )uia studio de *roblemas !+""*ropiedades y nidades "#+"6-uera y Ener&/a "+#1olumen especifco #8+$#*resión $$+Barometros y 2anometros 8+6

Temperatura +803e4isión de *roblemas 8!+86

2.12a%e a control 4olume around t5e turbine in t5e steam poer plant in

-i&. !.! and list t5e 7os o mass and ener&y t5at are t5ere.9olution: ;e see 5ot 5i&5 pressuresteam 7oin& in at state ! rom t5esteam drum t5rou&5 a 7o control<not s5on=. T5e steam lea4es at aloer pressure to t5e condenser<5eat e>c5an&er= at state ". ?rotatin& s5at &i4es a rate o ener&y<poer= to t5e electric &eneratorset.

Enunciado(5$ Analice un sis"ema de ?olumen del con"rol alrededor de la cen"ral el/c"rica la

"ur,ina de ?a#or en )a &igura5 $5$ % enumerar los &luHos de la masa % de laenerg'a =ue es"!n all'5

Soluci@n Vemos el "apor de alta presión caliente el luir adentro en el estado 1 deltamor del "apor con un control de lu8o no mostrado. El "apor se "a en una presiónmás a8a al condensador camiador de calor en el estado 2. &n e8e que rota da unndice de la ener(a ener(a al sistema de (enerador el*ctrico.

3%

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(5( Ma@e a control "olume around tLe CLole poCer plant in $i(ure 1.2 and CitL tLe Lelp o

$i(. 1.1 list CLat loCs o mass and ener(y are in or out and any stora(e o ener(y. Ma@esure you @noC CLat is inside and CLat is outside your cLosen 7.V.nder&round poer cable ;electrical @ot ater Aistrict 5eatin& Coalmm-lue &as 9tora&e or later )ypsum, 7y as5, sla& transport out: Coldreturnmm Combustion air

?a(a un "olumen del control alrededor de la central el*ctrica entera en el cuadro 1.2 y conla ayuda del Li(o. 1.1 enumeran qu* luye de masa y la ener(a está adentro o Lacia uera ycualquier almacena8e de la ener(a. Se cerciora de usted saer cuál es interior y cuál ese!terior su 7.V. ele(ido.

=lmacena8e suterráneo del Lumo de carón mm de la caleacción urana de la a(uacaliente de Felectrical del cale de transmisión para un yeso más Altimo, ceni)as "olantes,transporte de la escoria Lacia uera =ire de comustión ro del returnmm

Solución

3+

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(5+ Ma@e a control "olume tLat includes tLe steam loC around in tLe main turine loop intLe nuclear propulsion system in $i(.1.3. #dentiy mass loCs Lot or cold and ener(ytransers tLat enter or lea"e tLe 7.V.

?a(a un "olumen del control que incluya el lu8o del "apor alrededor en el la)o principal dela turina en el sistema nuclear de la propulsión en $i(.1.3. #dentiique los lu8os totalescalientes o ros y las transerencias de ener(a que incorporan o salen del 7.V.Solución

T5e electrical poer also lea4es t5e C.1. to be used or li&5ts,instruments and to c5ar&e t5e batteries.'a corriente el*ctrica tami*n sale del 7.V. ser utili)ado para las luces, los instrumentos ycar(ar las ateras.

3

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(5 Ta@e a control "olume around your @itcLen reri(erator and indicate CLere tLecomponents sLoCn in $i(ure 1. are located and sLoC all loCs o ener(y transer .Tome un "olumen del control alrededor de su reri(erador de la cocina e indique dondelos componentes demostrados en el cuadro 1. se locali)an y demuestre todos los lu8osde la transerencia de ener(a.Solución

T5e 4al4e and t5e cold line, t5e e4aporator, is inside close to t5e insideall and usually a small bloer distributes cold air rom t5e reeer bo>

to t5e reri&erator room. T5e blac% &rille in t5e bac% or at t5e bottom is t5e condenser t5at &i4es5eat to t5e room air.

T5e compressor sits at t5e bottom.

'a "ál"ula y la lnea ra, el e"aporador, está adentro cerca de la pared interior y unsoplador peque9o distriuye (eneralmente el aire ro de la ca8a del con(elador al cuartodel reri(erador.'a parrilla ne(ra en la parte posteriora o en el ondo es el condensador que da calor alaire del sitio. El compresor se sienta en el ondo.

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(50 =n electric dip Leater is put into a cup o Cater and Leats it rom 2D o7 to HDo7. SLoCtLe ener(y loCs and stora(e and e!plain CLat cLan(es.n calentador elctrico de la inmersión se pone en una taa de a&ua y la

calienta de "0oC a 80oC. Aemuestre los 7uos y el almacenae de laener&/a y e>plique lo que los cambios.Soluci@nElectric poer is con4erted in t5e 5eater element <an electric resistor= soit becomes 5ot and &i4es ener&y by 5eat transer to t5e ater. T5e ater5eats up and t5us stores ener&y and as it is armer t5an t5e cupmaterial it 5eats t5e cup 5ic5 also stores some ener&y. T5e cup bein&armer t5an t5e air &i4es a smaller amount o ener&y <a rate= to t5e airas a 5eat loss.

Da ener&/a elctrica se con4ierte en el elemento del calentador <un

resistor elctrico= as/ que l lle&a a ser caliente y da ener&/a por traspasotrmico al a&ua. El a&ua calienta para arriba y almacena as/ ener&/a ypues es ms caliente que el material de la taa que calienta la taa quetambin almacena una cierta ener&/a. Da taa que es ms caliente que elaire da una cantidad ms pequeFa de ener&/a <una taria= al aire comoprdida de calor.

(51 Separate tLe list P, $, V, ", Y, T, a, m, ', t and V into intensi"e, e!tensi"e and non- properties.Separe la lista P, $, V, ", Y, T, a, m, ', t y V en intensi"o, e!tenso y no-caractersticas.Solución

In"ensi?e #ro#er"ies are independent upon mass P, ", Y, TE"ensi?e #ro#er"ies scales CitL mass V, mNon-#ro#er"ies $, a, ', t, .

7omment Iou could claim tLat acceleration a and "elocity . are pLysical properties or tLe dynamic motion o tLe mass, ut not tLermal properties.

'as propiedades intensi"as son independientes sore masa P, ", Y, T'as propiedades e!tensi"as las que dependen con la masa V, m

3H

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:o - propiedades de m $, a, ', t,7omentario &sted podra demandar que la aceleración a y la "elocidad V son

propiedades sicas para el mo"imiento dinámico de la masa, pero no son propieadest*rmicas.

2.5 =n escalator rin(s our people o total 3DD @(, 2+ m up in a uildin(. E!plain CLatLappens CitL respect to ener(y transer and stored ener(y.(5 &na escalera mó"il trae a cuatro personas de total 3DD @ilo(ramos, 2+ m para arriaen un ediicio. E!plique qu* sucede con respecto a transerencia de ener(a y a ener(aalmacenadaSoluci@n

T5e our people <#00 %&= 5a4e t5eir potential ener&y raised, 5ic5 is 5ot5e ener&y is stored. T5e ener&y is supplied as electrical poer to t5emotor t5at pulls t5e escalator it5 a cable.'as cuatro personas 3DD @ilo(ramos Lacen su ener(a potencial le"antar, que es cómose almacena la ener(a. 'a ener(a se pro"ee como corriente el*ctrica al motor que tira

de la escalera mó"il con un cale.

(5 ;ater in nature e>ist in diGerent p5ases li%e solid, liquid and 4apor<&as=. Indicate t5e relati4e ma&nitude o density and specifc 4olumeor t5e t5ree p5ases.

El a(ua en naturale)a e!iste en di"ersas ases como sólido, el lquido y el "apor (as.#ndique la ma(nitud relati"a de densidad y de "olumen especico para las tres ases.

Soluci@n 1alues are indicated in -i&ure ". as density or common substances.2ore accurate 4alues are ound in Tables ?.#, ?.$ and ?.;ater as solid <ice= 5as density o around H00 %&'m#

;ater as liquid 5as density o around !000 %&'m#

;ater as 4apor 5as density o around ! %&'m# <sensiti4e to * and T=

'os "alores se indican en el cuadro 2.5 como densidad para las sustancias comunes.Valores más e!actos se encuentran en el a(ua =.3, =.% y =.+ de las talas puesEl á(ua sólida Lielo tiene densidad alrededor del a(ua GDD @(Um3El á(ua como lquido tiene densidad alrededor del a(ua 1DDD @(Um3El á(ua como "apor tiene densidad de alrededor 1 @(Um3 sensile a P y a T

3G

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