1. Manómetro con mercurio
Datos:
- P: 80 kPa = 80 000 Pa
- ρHg: 13 600 kg/m³
- g: 9.81 m/s²
Procedimiento:
Utilizando la fórmula de presión hidrostática: P = ρgh
Despejamos la altura (h):
h = P / (ρg)
h = 80 000 / [(13 600)(9.81)]
h = 0.599 m ≈ 0.6 m
Análisis de unidades:
Pa = N/m² = kg/(m·s²). Entonces:
h = [kg/(m·s²)] / [(kg/m³)(m/s²)] = m
Respuesta: b) 0.6 m
2. Presión del aire en recipiente con manómetro de varios fluidos
Datos:
- h1: 0.3 m; h2: 0.5 m; h3: 0.76 m
- ρagua: 1000 kg/m³; ρaceite: 850 kg/m³; ρHg: 13 600 kg/m³
- Patm: 0.9 bar = 90 000 Pa
Procedimiento:
P1 = Patm + ρHg·g·h3 – ρaceite·g·h2 – ρagua·g·h1
P1 = 90 000 + (13 600)(9.81)(0.76) – (850)(9.81)(0.5) – (1000)(9.81)(0.3)
P1 = 184 283.91 Pa
Análisis de unidades:
Cada término ρgh tiene unidades:
(kg/m³)(m/s²)(m) = kg/(m·s²) = Pa
Por lo tanto, la suma queda expresada en Pascales.
Respuesta: a) 184 283.91 Pa
Observación: Aunque el enunciado menciona presión manométrica, las opciones utilizan presión absoluta porque se suma la Patm.
3. Presión absoluta bajo el nivel del mar
Datos: El buzo se encuentra 2.5 m por debajo del nivel del mar.
Procedimiento:
Pabs = Patm + ρgh
Como el término ρgh es positivo al aumentar la profundidad, la presión absoluta aumenta respecto a la presión atmosférica (Patm).
Análisis de unidades:
El producto ρgh se expresa en Pa y se suma a Patm. Por lo tanto, la presión total es mayor.
Respuesta: b) Mayor que la atmosférica
4. Aceleración provocada por una fuerza horizontal
Datos:
- F: 300 N
- m: 10 000 g = 10 kg
Procedimiento:
Basado en la segunda ley de Newton: F = ma
Despejamos la aceleración (a):
a = F / m
a = 300 / 10
a = 30 m/s²
Análisis de unidades:
N = kg·m/s². Entonces:
a = (kg·m/s²) / kg = m/s²
Respuesta: a) 30 m/s²
5. Conversión de temperatura de 25 °C
Datos: T = 25 °C
Procedimiento:
- Kelvin: K = °C + 273.15 = 25 + 273.15 = 298.15 K
- Rankine: R = K(1.8) = 298.15(1.8) = 536.67 R
- Fahrenheit: °F = (9/5)(°C) + 32 = (9/5)(25) + 32 = 77 °F
Análisis de unidades:
Las conversiones cambian la escala de temperatura; la magnitud final se expresa en K, R y °F respectivamente.
Respuesta: b) 298.15 K / 536.67 R / 77 °F
6. Flujo térmico en pared plana
Datos:
- L: 2 m; A: 1 m²
- k: 0.5 W/(m·K)
- ΔT: 55 °C = 55 K
Procedimiento:
Q̇ = k·A·ΔT / L
Q̇ = (0.5)(1)(55) / 2
Q̇ = 13.75 W = 13.75 J/s
Análisis de unidades:
[W/(m·K)] · (K) / m = W = J/s. La diferencia de temperatura en °C equivale a la misma diferencia en K.
Respuesta: a) 13.75 J/s
7. Cambio de energía potencial del ciclista
Datos:
- m: 88.2 lbm ≈ 40 kg
- g: 9.8 m/s²
- h: 1000 m
Procedimiento:
ΔEp = mgh
ΔEp = (40)(9.8)(1000)
ΔEp = 392 000 J
Análisis de unidades:
kg · m/s² · m = kg·m²/s² = J
Respuesta: a) 392 000 J
8. Energía cinética del automóvil
Datos:
- m: 1400 kg
- v: 22.22 m/s
Procedimiento:
Ec = (1/2)mv²
Ec = (1/2)(1400)(22.22)²
Ec = 345 609 J
Análisis de unidades:
kg · (m/s)² = kg·m²/s² = J
Respuesta: a) 345 609 J
9. Velocidad final del elevador
Datos:
- m: 450 kg
- Ec: 3 800 J
Procedimiento:
Ec = (1/2)mv²
Despejamos la velocidad (v):
v = √(2Ec/m)
v = √[(2)(3800)/450]
v = √16.88 = 4.1 m/s
Análisis de unidades:
J/kg = (kg·m²/s²)/kg = m²/s². Al sacar raíz cuadrada queda m/s.
Respuesta: a) 4 m/s
Conceptos Fundamentales de Termodinámica
10. El límite que separa el sistema de los alrededores se conoce como:
Respuesta: b) Frontera / pared
La frontera o pared es el límite que separa al sistema termodinámico de sus alrededores. Puede permitir o impedir el intercambio de masa o energía.
11. Proporción del universo que presenta características específicas y medibles que pueden ser estudiadas:
Respuesta: a) Sistema termodinámico
Un sistema termodinámico es una porción del universo que se selecciona para su estudio, y puede analizarse mediante propiedades como presión, temperatura, volumen y masa.
12. ¿Cuáles son propiedades intensivas de la materia?
Respuesta: b) E, B
Las propiedades intensivas no dependen de la cantidad de materia. En este caso, corresponden a:
E) Densidad
B) Viscosidad
13. ¿Cuáles son propiedades extensivas de un sistema?
Respuesta: b) C, H, D
Las propiedades extensivas sí dependen de la cantidad de materia. En este caso:
C) Volumen
H) Masa
D) Peso
14. ¿Cuáles no son propiedades de un sistema?
Respuesta más cercana: a) A, G, K
Observación: La presión sí es una propiedad del sistema, por lo tanto la opción no es del todo precisa. Las que claramente no son propiedades termodinámicas intrínsecas del sistema en equilibrio son la aceleración y la velocidad.
15. ¿Cuáles son las variables termodinámicas del diagrama de fases presentado?
Respuesta: b) T vs P
El diagrama de fases normalmente relaciona la temperatura (T) con la presión (P) para mostrar las zonas de sólido, líquido y vapor.
16. La sublimación es un cambio en el estado de agregación de cierta materia y se da cuando ______ pasa a ______ sin pasar por ______.
Respuesta: a) A / C / B
La sublimación ocurre cuando una sustancia pasa de sólido (A) a vapor (C) sin pasar por el estado líquido (B).
17. ¿Qué significan las letras A, B y C en el diagrama de fases?
Respuesta: b) A = sólido, B = líquido, C = vapor
En un diagrama de fases común, la región izquierda corresponde al sólido, la zona intermedia al líquido y la derecha al vapor.
18. Temperatura a la cual un líquido hierve se le conoce como:
Respuesta: c) Punto de ebullición
El punto de ebullición es la temperatura a la cual un líquido cambia a fase vapor bajo condiciones de equilibrio o miniequilibrios por los que pasa el sistema.
19. Proceso en el cual la presión del vapor del líquido es igual a la presión atmosférica:
Respuesta: c) Ebullición
La ebullición ocurre cuando la presión de vapor del líquido iguala la presión externa o atmosférica.
20. Sustancia que contiene uno o más elementos químicos en proporciones definidas y constantes:
Respuesta: b) Compuesto
Un compuesto está formado por dos o más elementos químicos unidos en proporciones definidas y constantes.
26. ¿La transferencia de calor que predomina en mayor cantidad en la evaporación del agua es?
Respuesta: c) Convección
En la evaporación del agua existe movimiento del fluido, por lo que la transferencia de calor predominante se asocia con la convección.
27. ¿Qué tipo de sistema termodinámico se presenta en las tuberías?
Respuesta: c) Abierto
Una tubería representa un sistema abierto porque permite el intercambio de masa y energía con el exterior.
28. ¿Qué tipo de mezcla preparó Alberto?
Respuesta: c) Mezcla homogénea
Al mezclar azúcar, azúcar glass y Royal en polvo, los componentes se distribuyen de manera uniforme, formando una mezcla homogénea.
29. Las propiedades ______ son independientes del tamaño del sistema, mientras que las propiedades ______ dependen del mismo.
Respuesta: a) Intensivas / extensivas
Las propiedades intensivas no dependen de la cantidad de materia, mientras que las extensivas sí dependen del tamaño o cantidad de materia del sistema.
30. Serie de estados, miniequilibrios, por los que pasa un sistema:
Respuesta: a) Proceso reversible
Un proceso reversible se idealiza como una serie de estados de equilibrio definidos.
Mezcla de agua saturada a 95 °C
Datos generales:
- Vvapor: 0.89 m³; Vlíquido: 0.11 m³; T: 95 °C
- De tablas de agua saturada a 95 °C: Psat = 84.6 kPa = 84 600 Pa; vf = 0.001039 m³/kg; vg = 1.985 m³/kg
1. Presión de la mezcla
Al ser una mezcla saturada:
P = Psat a 95 °C
P = 84.6 kPa = 84 600 Pa
Respuesta: b) 84 600 Pa
2. Volumen específico del líquido saturado
Obtenido directamente de tablas:
vf = 0.001039 m³/kg
Respuesta: b) 0.001039 m³/kg
3. Volumen específico del vapor saturado
Obtenido directamente de tablas:
vg = 1.985 m³/kg
Respuesta: a) 1.985 m³/kg
4. Masa del líquido en la mezcla
Datos: Vf = 0.11 m³; vf = 0.001039 m³/kg
mf = Vf / vf
mf = 0.11 / 0.001039
mf = 105.87 kg ≈ 105.9 kg
Respuesta: a) 105.9 kg
5. Masa del vapor en la mezcla
Datos: Vg = 0.89 m³; vg = 1.985 m³/kg
mg = Vg / vg
mg = 0.89 / 1.985
mg = 0.448 kg
Respuesta: c) 0.448 kg
6. Calidad de la mezcla
Datos: mg = 0.448 kg; mf = 105.87 kg
x = mg / (mf + mg)
x = 0.448 / (105.87 + 0.448)
x = 0.00421 = 0.421 %
Respuesta: b) 0.42 %
7. Entalpía de la mezcla
Datos: x = 0.00421; valores de tabla a 95 °C.
h = hf + x·hfg
Utilizando los valores de tablas:
h ≈ 407.5 kJ/kg
Respuesta: a) 407.5 kJ/kg
8. Humedad de la mezcla
Datos: x = 0.42 %
Humedad = 100 % – x
Humedad = 100 % – 0.42 %
Humedad = 99.58 %
Respuesta: a) 99.58 %
Gas ideal
Datos generales:
- V: 1 m³; m: 50 kg
- Peso molecular (PM): 44 kg/kmol
- T: 25 °C = 298.15 K
- Ru: 8.314 kJ/(kmol·K)
9. Constante específica del gas
R = Ru / PM
R = 8.314 / 44
R = 0.189 kJ/(kg·K)
Respuesta: c) 0.189 kJ/(kg·K)
10. Presión del gas
Utilizando la ecuación de estado: PV = mRT
P = mRT / V
P = (50)(0.189)(298.15) / 1
P = 2817.15 kPa
Respuesta: b) 2817.15 kPa
Secador de plátano
El proceso consiste en una entrada de plátano húmedo y dos salidas: plátano seco y agua retirada.
11. Flujos totales del proceso
Número total de flujos = 1 entrada + 2 salidas = 3 flujos
Respuesta: b) 3 flujos
12. Diagrama de flujo correcto
El diagrama debe representar correctamente el balance de masa con 1 flecha de entrada y 2 flechas de salida.
Respuesta: a)