Primera ley para estado uniforme flujo uniforme (gas ideal)

1) Un tanque rígido de 2 m3 contiene inicialmente aire a 100 kPa y 22ºC. El tanque se conecta a una línea de alimentación mediante una válvula. En la línea de alimentación fluye aire a 600 kPa y 22°C. La válvula es abierta y el aire entra en el tanque hasta que la presión en éste alcanza la presión de la línea, punto en el que se cierra la válvula. Un termómetro colocado en el tanque indica que la temperatura del aire en el estado final es de 77°C. Determine: a) la masa del aire que ha entrado en el tanqueb) la cantidad de transferencia de calor.Respuestas: a) 9.58 kg, b) Q. = 339 kJ

2) Un tanque rígido con un volumen de 10 m3 contiene aire inicialmente a 500 kPa y 40 ºC se le suministra calor al tanque a una rapidez de 6 kW, mientras una válvula automatizada deja salir 0,03 kg/s de aire del tanque, hasta que la temperatura llega a 180 ºC. Determinar:

a) el tiempo expresado en minutos que tarda el tanque en llegar a la temperatura de 180 ºC

Respuestas: a) 22,12 min

3) Un globo esférico contiene 25 m3 de gas helio a 20°C y 150 kPa. Después, se abre una válvula y se deja que el helio escape lentamente. La válvula se cierra cuando la presión dentro del globo disminuye a la presión atmosférica de 100 kPa. La elasticidad del material del globo es tal que la presión interior varía con el volumen durante el proceso de acuerdo con la relación P = a + bV, donde a = -100 kPa y b es una constante. Desprecie cualquier transferencia de calor y determine:a) la temperatura final en el globo y b) la masa del helio que ha escapado. Respuestas: a) 249.7 K, b) 2.306 kg

4) El cilindro de la figura esta aislado térmicamente y equipado con un pistón sin rozamiento. Dentro del cilindro hay contenido 1 kg de gas ideal (desconocido), inicialmente a 27 ºC. Se abre la válvula lentamente, ingresando al cilindro 2.5 kg del mismo gas, se cierra la válvula y se observa que el volumen ocupado por el cilindro en este estado es 6 veces mayor que el volumen inicial. Determinar:

a) Temperatura finalb) Temperatura de entrada

Respuestas: a) 514,286 K, b) 600 K

Nota: considerar el gas ideal con calores específicos constantes con la temperatura.

5) Sobre un conjunto de cilindro pistón actúa un resorte lineal como se muestra en la figura; el conjunto se por medio de una válvula a una tubería por la que fluye aire a 600 kPa y 700 K. Al principio el cilindro esta vacío y la fuerza del resorte es cero. Se abre la válvula hasta que la presión del cilindro llega a 300 kPa. Si se

sabe que:

establezca una expresión para , en

función de si se sabe que el proceso es adiabático.. Determine:

a) el valor de

6) Un dispositivo cilindro pistón vertical aislado térmicamente contiene 0,2 m3 de aire a 200 kPa y 22 ºC, en este estado el resorte toca el pistón pero no ejerce fuerza alguna sobre el, el cilindro esta conectado mediante una válvula a una línea que suministra aire a 800 kpa y 22 ºC , la válvula que inicialmente esta cerrada es abierta y el aire de la lineal entra al cilindro, la válvula se cierra cuando la presión en el cilindro alcanza un valor de 600 kPa y el volumen encerrado es el doble del inicial. Determinar:

a) El trabajo realizadob) La masa de aire que entroc) Temperatura final del aire

Respuestas: a) 80 kJ, b) 1,9573 Kg, c) 344,16 K

7) Un globo esférico se comporta de tal manera que la presión es proporcional al diámetro, el globo contiene 0,5 Kg de aire a 200 kPa y 30 ºC, momentáneamente el globo se conecta a una línea a 400 kPa y 100 ºC se deja entrar aire hasta que el volumen se duplica, proceso en el cual hay una transferencia de calor de 50 kJ hacia fuera del globo. Determine:

a) La temperatura final b) La masa que entro al globo

Respuestas: a) 316,13K b) 0,7061 Kg.

8) Se tiene un sistema cilindro pistón, en

el que inicialmente hay 0.5 Kg de a 150 kPa y 300 K, este sistema es

conectado a una línea por la que fluye a 500 kPa y 350 K. La válvula que inicialmente esta cerrada se abre

lentamente para que ingrese , cuando la presión del sistema alcanza 400 kPa, la válvula es cerrada. Se estima que el

sistema presenta una pérdida de calor constante de 30 W. se sabe que durante todo el proceso existe una fuerza externa que provoca una variación de la presión en función del volumen igual a:

. Si el proceso dura 1 hora Determine:

a) Trabajo realizado durante el proceso

b) Masa de que ingreso al sistema

c) Temperatura final del

9) En la figura se tiene un sistema cilindro pistón adiabático accionado por una fuerza externa, inicialmente dentro del cilindro hay aire a 200 kpa y 310 K, ocupando un volumen de 350 litros, en la parte inferior del cilindro existe una válvula que inicialmente esta cerrada. La fuerza externa comprime el aire hasta que la presión del aire alcanza 550 kPa y el volumen encerrado es de 200 litros, en este momento se abre la válvula y se permite la salida de aire hasta que la presión es de 250 kPa y el volumen encerrado es de 100 litros. Se sabe que durante el proceso de vaciado el trabajo realizado sobre el aire es el 20% del trabajo que recibe el aire en el primer proceso de compresión.

Determinar:

a) Trabajo realizado sobre el aire en el primer proceso de compresión

b) Trabajo realizado sobre el aire en el proceso de vaciado

c) Temperatura finald) Masa que salio del sistema

10) El sistema mostrado consta de dos procesos: uno de llenado (Etapa de 1 a 2) y otro de vaciado (Etapa de 2 a 3). En el proceso de llenado, la válvula 1 esta abierta y la válvula 2 esta cerrada. Las condiciones iniciales del aire en el tanque

son ; y las condiciones de entrada son:

, en este proceso ingresan 3 kg de aire hasta que la

presión llega a punto en el cual se cierra la válvula 1, finalizando el proceso de llenado, y se abre la válvula 2, permitiendo que el aire presente en el cilindro salga hasta que la presión en el

recipiente es ; se estima que en el proceso de vaciado existe una pérdida de calor de 100 kJ. Y se sabe que durante el proceso de llenado y vaciado la presión y el volumen en el interior del cilindro se comportan según la siguiente

ecuación , donde C es un valor constante. Determinar:

1) Temperatura cuando finaliza el proceso de llenado0

2) Trabajo y calor de 1 a 23) Trabajo de 2 a 34) Temperatura del aire cuando

finaliza el proceso de vaciado.

11) Se tiene un sistema cilindro pistón, en

el que inicialmente hay 1.5 Kg de a 200 kPa y 300 K, este sistema es

conectado a una línea por la que fluye a 700 kPa y 400 K. A este sistema se acopla un eje el cual entrega una potencia de 150 W. La válvula que inicialmente esta cerrada se abre lentamente para que

ingrese , cuando la presión del sistema alcanza 600 kPa, la válvula es cerrada. Se estima que el sistema presenta una pérdida de calor constante de 50 W. se sabe que durante todo el proceso existe una fuerza externa que provoca una variación de la presión en función del volumen igual a:

. Si el proceso dura 1 hora Determine:

d) Trabajo neto durante el proceso

e) Masa de que ingreso al sistema

f) Temperatura final del

Nota el nitrógeno se comporta como gas ideal con calores específicos variables con la temperatura

12) El sistema mostrado en la figura consta de dos válvulas, en el estado inicial

la válvula 1 se encuentra abierta y la 2 cerrada. Para el primer proceso (llenado) se tiene que las condiciones de entrada son

Las condiciones iniciales del sistema son

Este sistema es colocado al lado de una fuente la cual le entrega una transferencia

de calor al sistema de hasta el instante en que el sistema alcanza el equilibrio térmico con la fuente externa momento en el cual se cierra la válvula 1, se sabe que el trabajo que realiza el aire es 60 kJ. Después de esto se retira la fuente externa y se abre la válvula 2 (vaciado) hasta el momento en que se llega a las siguientes condiciones

para este proceso de vaciado el trabajo que realiza la fuerza externa sobre el aire es el 30% del trabajo del proceso de llenado y se considera que la transferencia de calor en el proceso de vaciado es despreciable.Determinar:

a) Tiempo expresado en minutos que dura el proceso de llenado

b) Temperatura al final del proceso de vaciado

Masa de entrada (llenado), Masa de salida (Vaciado)

13) Se tiene un sistema totalmente aislado térmicamente tal y como se muestra en la figura; inicialmente se tiene 10 litros de O2 a 300 kpa y 300 K; dicho sistema es conectado a una línea por

la que fluye O2 A 1000 kpa y 400 K. la válvula que inicialmente se encuentra cerrada es abierta permitiendo la entrada de O2 hasta el momento en el cual la presión del sistema llega a 850 kpa momento en el cual la válvula se cierra. Para la situación planteada se desea saber lo siguiente:

a) La masa de O2 en el instante inicialb) El trabajo total realizado durante el

procesoc) La temperatura final del O2

d) La masa de O2 que ingreso.

El O2 se comporta como gas ideal con calores específicos variables con la temperatura

14) Se tiene un sistema compuesto por dos globos tal y como se muestra en la figura; inicialmente dentro del globo A hay aire a 120 kPa ocupando un volumen de 5 litros a 298 K y el globo B inicialmente tiene un volumen de 1 litro. Este sistema es conectado a una línea por la que fluye aire a 500 kPa y 360 K, se abre la válvula que inicialmente está cerrada hasta que la presión interna llega a 450 kPa. Se sabe que el material del globo A hace que la presión interna varíe directamente proporcional a su volumen; mientras que el material del globo B hace que su presión interna varíe directamente proporcional al volumen elevado al cuadrado. Se sabe que durante este proceso hay una disipación de calor de 5 kJ. Para la situación planteada determinar:

a) Trabajo total del sistemab) Temperatura final del aire en el

globo Bc) Masa final en cada globo

15) Se tiene un sistema cilindro pistón resorte lineal tal como se muestra en la figura. Inicialmente se sabe que dentro del sistema existe Argón a una presión de 200 KPa, una temperatura de 300 K, ocupando un volumen de 150 litros. Asociado al sistema se encuentra una válvula que une al mismo con una línea de alimentación por donde fluye Argón a 400 KPa y 500 K. La masa entra de la línea de alimentación al sistema a una razón 0,002 Kg/s y existe una entrada de calor al sistema a una razón de 0,05 KW que son constantes durante el tiempo, hasta que la presión dentro del sistema iguala a la presión de la línea de alimentación y el proceso finaliza. Si el resorte posee una constante de 100 KN/ m y un área de 1 m2 y se sabe que se encuentra comprimido durante todo el proceso. Determine:

El tiempo que tarda el sistema en llegar a las condiciones finales en segundos

La masa final de Argón dentro del sistema en Kilogramos

La temperatura final del Argón dentro del sistema en grados Kelvin

Maquinas térmicas

1) Una planta de energía de vapor recibe calor de un horno a una tasa de 280 GJ/h. Las pérdidas térmicas en el aire circundante por el vapor cuando éste circula por las tuberías y otros componentes, se estiman aproximadamente en 8 GJ/h. Si el calor de desecho se transfiere al agua de enfriamiento a una tasa de 145 GJ/h, determine:

a) la salida neta de potenciab) la eficiencia térmica de esta planta

de potencia.Respuestas: a) 35.3 MW. b) 45.4%

2) Una planta de energía de vapor con una salida de potencia de 150 MW consume carbón a una tasa de 60 ton/h. Si el poder calorífico del carbón es 30000 kJ/kg. Determine la eficiencia térmica de esta planta (1 ton = 1 000 kg). Respuesta: 30.0%

3) Un motor de automóvil consume combustible a razón de 20 l/h y transfiere 60kW de potencia a las ruedas. Si el combustible tiene un poder calorífico de 44 000 kJ/kg y una densidad de 0.8 g/cm3, determine la eficiencia de este motor. Respuesta: 21.9%

4) Considere un salón de clase para 55 estudiantes y un instructor, cada uno generador de calor a una tasa de 100W. La iluminación es proporcionada por 18 bombillas fluorescentes, de 40 W cada una, y las balastras consumen un 10% adicional. Determine la tasa de generación de calor interno en este salón de clase cuando está completamente ocupado.

5) Un acondicionador de aire extrae calor permanentemente de una casa a razón de 750 kJ/min mientras consume potencia eléctrica a una tasa de 6 kW. Determine a) el CDF de este acondicionador de aire y b) la tasa de descarga de calor en el aire exterior. Respuestas: a) 2.08, b) 1110 kJ/min

6) Un refrigerador doméstico funciona una cuarta parte del tiempo y extrae calor del compartimiento de comida a una tasa promedio de 800 kJ/h. Si el CDF del refrigerador es 2.2, determine la potencia que consume el refrigerador cuando funciona.

7) Cuando un hombre regresa a su bien aislada casa en un día de verano la encuentra a 32°C. Enciende el aire acondicionado que enfría toda la casa a 20°C en 15 min. Si el CDF del sistema de aire acondicionado es 2.5, determine la potencia consumida por el acondicionador de aire. Suponga que toda la masa dentro de la casa es equivalente a 800 kg de aire para el que Cv = 0.72 kJ/kg.°C y Cp = 1.0 kJ/kg.ºC.

8) Determine el CDF de una bomba de calor que suministra energía a una casa a razón de 8 000 k.J/h por cada kW de potencia eléctrica que extrae. Determine también la tasa de absorción de energía del aire exterior. Respuestas: 2.22, 4 400 kJ/h

9) Se emplea una bomba de calor para mantener una casa a una temperatura constante de 23°C. La casa libera calor hacia el aire exterior a través de las paredes y las ventanas a una tasa de 60000 kJ/h, mientras la energía generada dentro de la casa por la gente, las luces y los aparatos asciende a 4000 kJ/h. Para un CDF de 2.5, determine la entrada de potencia a la bomba de calor. Respuesta: 6.22 kW

10) Una manera innovadora de generar energía eléctrica comprende la utilización de energía geotérmica. La energía del agua caliente que existe en forma natural en el subsuelo como la fuente de calor. Si se descubre un suministro de agua caliente a 140°C en una localidad donde la temperatura ambiental sea de 20°C, determine la máxima eficiencia térmica que puede tener una central eléctrica construida en ese sitio. Respuesta: 29.1%

11) Un inventor afirma haber fabricado una máquina térmica que recibe 750 kJ de calor de una fuente a 400K y produce 250 kJ de trabajo neto mientras libera el calor de desecho en un sumidero a 300 K. ¿Es razonable esta afirmación? ¿Por qué?12) Un refrigerador va a extraer calor del espacio enfriado a una tasa de 300 kJ/min para mantener su temperatura a - 8ºC . Si el aire que circunda al refrigerador está a 25°C, determine la entrada de potencia mínima requerida para este refrigerador. Respuesta: 0.623 kW

13) Un refrigerador de Carnot opera en una habitación en que la temperatura es de 25°C. El refrigerador consume 500 W de potencia cuando opera y tiene un CDF de 4.5. Determine: a) tasa de remoción de calor del espacio refrigerado y b) temperatura del espacio refrigerado. Respuestas: a) 135 kJ/min, b) -29.2°C

14) Durante un experimento realizado en una habitación a 25°C, un auxiliar de laboratorio mide que un refrigerador que necesitó 2 kW de potencia ha extraído 30000kJ de calor del espacio refrigerado, que se mantiene a -30°C. El tiempo de

funcionamiento del refrigerador durante el experimento fue de 20 min. Determine si estas mediciones son razonables.

15) Una bomba de calor se usa para mantener una casa a 22 kJ extrayendo calor del aire exterior en un día en que la temperatura del aire es de 2°C. Se estima que la casa perderá calor a una tasa de 110 000 kJ/h y que la bomba de calor consume 8 kW de potencia eléctrica cuando opera. ¿Tiene esta bomba de calor la suficiente capacidad para realizar la tarea?

16) Se va a utilizar una bomba de calor de Carnot para calentar una casa y mantenerla a 20°C durante el invierno. En un día, cuando la temperatura exterior promedio permanece aproximadamente en 2°C, se estima que la casa perderá calor a una tasa estable de 82000 kJ/h. Si la bomba de calor consume 8 kW de potencia mientras opera, determine a) cuánto tiempo operó la bomba ese día; b) los costos de calefacción totales, suponiendo un precio promedio de 8.5 centavos de dólar/kWh para la electricidad, y c) el costo de la calefacción

para el mismo día si se usara un calentador eléctrico en lugar de una bomba de calor. Respuestas: a) 4.19 h, 1,) 2.85 dólares y e) 46.47 dólares

17) Una máquina de Carnot recibe calor de un depósito a 900°C a una tasa de 800 kJ/min y libera el calor de desecho en el aire del ambiente a 27°C. Toda la salida de trabajo de la máquina térmica se emplea para accionar un refrigerador que extrae calor del espacio refrigerado a - 5°C y lo transfiere al aire de ambiente a 27°C. Determine: a) la tasa máxima de extracción de calor del espacio refrigerado y b) la tasa total de liberación de calor en el aire del ambiente. Respuestas: a) 4982 kJ/min, b) 5782 kJ

18) Una bomba de calor con un COP de 2,8 se usa para calentar una casa. Cuando opera la bomba de calor consume una potencia la cual es suministrada por una máquina térmica reversible la cual recibe 19,61 kW de una fuente que se encuentra a 127ºC y descarga calor a la atmósfera a 25ºC. Si la temperatura de la casa es de 7ºC en el instante antes de colocar en funcionamiento la bomba de calor y asumiendo que toda la masa dentro de la casa (aire, muebles etc.) es equivalente a 1500 kg de aire. (Cp = 1.0035 kJ/kg K, Cv = 0.7165 kJ/kg K). Determine:

a) ¿Diagrama de la situación planteada?

b) ¿Cuánto tiempo le llevará a esta bomba elevar la temperatura de la casa a 27 ºC?

19) Dos maquinas térmicas de carnot A y B operan en serie, la primera máquina A recibe calor a 597 ºC y rechaza calor a un depósito a la temperatura T. La segunda máquina B recibe el calor rechazado por la máquina A y a su vez rechaza calor a un depósito a 27 ºC Determinar la temperatura T para las siguientes situaciones:

a) Los trabajos de salida de las dos máquinas son iguales

b) Los rendimientos térmicos de las dos máquinas son iguales

Respuestas: a) 510,88 K; b) 585 K.

20) Si el coeficiente de realización de la bomba de calor es la mitad del coeficiente de realización de la maquina frigorífica y el trabajo que consume la maquina frigorífica es el doble del trabajo que requiere la bomba de calor. Se desea conocer lo siguiente:

a) El costo real de la instalación si la energía tiene un valor de 0.25 $/kJ

20 ºC

BC

0 ºC

171,4 ºC 30 ºC

20 ºC -5 ºC

MFMT

400 kJ

500 kJ

2000 kJ

W1

W2

21) Una Máquina Térmica Irreversible recibe calor desde una fuente a 800 K y cede calor a un sumidero que está a 400 K. Se sabe que en la transmisión de potencia de la máquina térmica a la máquina refrigeradora hay una pérdida. Esta Máquina Refrigeradora recibe calor a una temperatura de 240 K y lo cede a 400 K, y extrae 240 KJ calor del espacio refrigerado. El calor neto transferido por las dos Máquinas a la fuente que está a 400 K es de 800 KJ. La Máquina Térmica tiene un Redimiendo Térmico que es el 80 % del rendimiento de la Máquina Térmica Reversible que funcionase entre las mismas temperaturas que la Máquina Térmica real, y el COP de la Máquina Refrigeradora es el 80 % del de una Máquina Refrigeradora Reversible que funcionase entre las mismas temperaturas que la Máquina Refrigeradora real.Determinar:

1. Realice el diagrama que representa esta situación.

2. Trabajo requerido en KJ por la Máquina Refrigeradora real.

3. Calor suministrado en KJ a la Máquina Térmica desde la fuente a 800 K.

4. Cantidad de trabajo en KJ que se pierde en el interior de la transmisión real.

5. Calor cedido por la Máquina Térmica a la fuente que está a 400 K.

22) Una Bomba de Calor Irreversible está diseñada para extraer calor a 7 ºC desde

la atmósfera y suministrar un flujo de calor de 44000 KJ/h a 420 K para un proceso industrial. El coeficiente de realización de la Bomba de Calor real es el 70 % del coeficiente de realización de una Bomba de Calor Reversible que funciona entre las mismas temperaturas que la Bomba de Calor real. La Bomba de calor es accionada por el 80 % de la potencia que produce una Máquina Térmica, la cual recibe calor desde una fuente que está a 1060 K y lo cede a 420 K al mismo proceso industrial. La eficiencia de la Máquina Térmica es el 75 % de la eficiencia de una Máquina Térmica Reversible que funciona entre los mismos depósitos que la Máquina Térmica real.Determinar:

1) Potencia requerido en Kw para accionar la Bomba de Calor

2) Calor suministrado en KJ/h a la Maquina Térmica desde la fuente a 1060 K.

3) Porcentaje de Calor cedido por la Maquina Térmica a la fuente que está a 420 K.

4) Calor extraído por la Bomba de Calor de la atmósfera.

23) El 60% de la potencia que producen dos Maquinas Térmicas A y B, que funcionan en paralelo entre dos depósitos uno a 300ºC y el otro a la temperatura ambiente 25ºC, se utiliza para accionar una Maquina Refrigeradora C de Carnot la cual opera con el fin de mantener una habitación a 10ºC. La eficiencia de la Maquina Térmica A es el 80% de la eficiencia de la Maquina Térmica B que tiene una eficiencia del 75% de la eficiencia de una Maquina Reversible que operara entre los mismos depósitos de temperatura. Las Maquinas Térmicas A y B reciben 250 KJ/h desde la fuente de

alta. Si se considera que al momento de encender la maquina refrigeradora la energía en el cuarto es equivalente a la de una masa de aire de 4000 kg. Determinar:

a) Esquema del arreglo planteado.

b) Tiempo necesario de operación de la Maquina Refrigeradora para que en la habitación se alcance la

temperatura deseada sabiendo que inicialmente esta se encuentra a 25 ºC.

c) Velocidad de transmisión de calor neta al ambiente.

Nota: Cp0 = 1.004 kJ/kg K, Cv0 = 0.717 kJ/kg K

25) Un cuarto debe mantenerse a una temperatura de 25 ºC, y pierde calor a una tasa de 62000 kJ/h, el cual es repuesto por una bomba de calor que funciona entre el cuarto y el medio ambiente que se encuentra a -5 ºC. Una máquina térmica que funciona entre una fuente a 1000 ºC y el medio ambiente produce potencia, parte de la cual se usa para mover la bomba de calor y la otra parte se usa para mover un refrigerador el cual mantiene un cuarto frió en -15 ºC, e intercambia calor entre el cuarto frió y el medio ambiente. El coeficiente de la bomba de calor es la mitad del coeficiente de una bomba de calor reversible que funciona bajo las mismas fuentes de temperaturas. El coeficiente de la máquina refrigeradora es la mitad del coeficiente de la bomba de calor y la potencia que consume es el doble de la potencia que consume la bomba de calor. La eficiencia de la máquina térmica es la mitad de la eficiencia de una máquina térmica que funciona bajo las mismas fuentes de temperatura. Determinar:

a) Calor extraído del cuarto frió en kW

b) Compruebe si la máquina refrigeradora es ideal, real o imposible

c) Costo de la instalación si el precio de la energía es 10 BsF/kW

d) Calor total que intercambia la instalación completa con el medio ambiente

24) Fuel Oíl es quemado, para suministrar 1115 kW de calor a una Máquina Térmica Irreversible, la cual libera calor hacía un rio que se encuentra a 300 K y se utiliza para colocar en funcionamiento a una máquina refrigeradora y a un secador (Bomba de calor). Se sabe que en la transmisión de potencia de la máquina térmica a la máquina refrigeradora hay una pérdida del 15 % de la misma. Esta Máquina Refrigeradora se utiliza para congelar una tarta de limón que pasa a través de una banda transportadora, entrando a una temperatura de 80 °C y saliendo a -18 °C y cede calor a la atmosfera que se encuentra a 308 K. Se sabe que en dirección de la Bomba de Calor se deriva el 30 % de la potencia que se generaría en una máquina térmica de Carnot que trabaje entre las mismas fuentes de temperatura. El coeficiente de operación del secador (Bomba de calor) es de 1.5 y el de la Máquina refrigeradora es el 50 % del coeficiente de operación de una Bomba de calor reversible que trabaje entre los mismos depósitos de la bomba de calor real. Si se sabe que el calor especifico de la tarta es 15,72 kJ/(kg-K), que la misma tiene una masa de 10 kg, que la eficiencia de la máquina térmica es el 60% de la eficiencia de una maquina térmica reversible que trabaje entre los mismos depósitos de temperatura y que la temperatura interna del horno debe ser 220 °C. Determine:

a. Potencia generada por la Máquina Térmica

b. Calor total para la atmosfera.c. Si el valor máximo permisible de calor de

desecho al rio es de 600 Kw, determine si esta máquina cumple con las especificaciones requeridas.

d. ¿Cuál debe ser la velocidad de la cinta transportadora para que la tarta pueda salir a las condiciones requeridas

26) Se requiere mantener un cuarto refrigerado a una temperatura de -10°C durante 1 hora; para ello se utiliza una máquina refrigeradora de carnot que disipa 150kJ de calor a un depósito a una temperatura T, mientras extrae 100 kJ del espacio refrigerado. Esta máquina consume el 30% del trabajo que produce una máquina térmica de carnot que opera entre el mismo depósito de temperatura T y un depósito térmico de alta temperatura que se encuentra a 500 °C. El 70% de potencia restante producida por la máquina térmica, es utilizada por una bomba de calor de carnot para entregar calor a un depósito de alta temperatura (Thbc), mientras extrae 300 kJ de calor del depósito a temperatura T. determinar:

a) Cuál es la temperatura del depósito Tb) Cuál es la temperatura (Thbc)c) El coeficiente de realización para la

máquina refrigeradora y bomba de calor, eficiencia de la máquina térmica

d) La transferencia de calor a la máquina térmica de la fuente de alta

e) La transferencia de calor total fuente T

27) Se va a utilizar una máquina refrigeradora de Carnot para mantener la temperatura de una casa en 18°C durante el verano. En un día, cuando la temperatura exterior promedio permanece aproximadamente en 32°C, se estima que a la casa ingresa una tasa estable de 95000 kJ/h. Si la máquina refrigeradora consume 7 kW de potencia mientras opera, determine:a) Realice el diagrama que represente la situación.b) cuánto tiempo operó la máquina refrigeradora ese día en horas.c) los costos de Refrigeración totales en dólares, suponiendo un precio promedio de 8.5 centavos de dólar/kWh para la electricidad

Segunda ley para sistema:

1) El agua en un conjunto de pistón y cilindro esta a 1000 kPa y 500 ºC. Existen dos soportes uno inferior donde el Vmin=1 m3 y uno superior donde Vmax=3 m3. El pistón se carga con una masa y la atmósfera exterior, de modo tal que flota cuando la presión es de 500 kPa. Este conjunto se enfría hasta 100 ºC por ceder

calor al medio ambiente a 20 ºC . Determine:

a) el cambio neto de entropía para el proceso

Respuestas: a) 26,31 kJ/K

2) Dos tanques contienen vapor y están conectados a un cilindro pistón, como se muestra en la figura. Al inicio, el pistón está en el fondo y su masa es tal que una presión de 1.4 MPa por debajo de él puede levantarlo. El vapor en A tiene una masa de 4 kg a 7 MPa y 700oC, y B de 2 kg a 3 MPa y 350oC. Las dos válvulas se abren y el agua alcanza un estado uniforme. , suponiendo que no hay transferencia de calor. Nota: no olvide que u = h - Pv Determine:

a) La temperatura finalb) La variación de entropía neta para

el proceso Respuestas: a) 441,43 ºC; b) 1,6854 kJ/Kgk

3) Un conjunto de cilindro pistón y resorte, como se muestra en la figura contiene agua a 100 kPa y 0,07237 m3/kg. El agua se calienta hasta una presión de 3 MPa por medio de una bomba de calor reversible que extrae calor de una fuente a 300 K. se sabe que el agua pasará por el estado de vapor saturado a 1500 kPa.

Asumiendo que el sistema cilindro pistón resorte y bomba de calor es reversible determine:

a) Temperatura finalb) Calor por unidad de masa para el

agua kJ/Kgc) Trabajo por unidad de masa para la

bomba de calor kJ/kg.Respuestas: a) 1000 ºC; b) 3730,82 kJ/Kg; c) 1677,83 kJ/Kg

4) Considere la figura en la cual una unidad de refrigeración transfiere calor desde al agua en el cilindro A para rechazarlo hacia el agua que se encuentra en el en el recipiente B, hasta que en A solo exista líquido saturado. El cilindro A tiene una presión inicial del 175 kPa, 1 Kg de vapor y 1 Kg de líquido mientras B tiene un volumen de 2,4 m3 y contiene agua a 200 kpa y 50 % de calidad. Determinar:

a) Considerando que la máquina refrigeradora tiene un coeficiente de realización de 0,5 determine la temperatura final en B

b) Considerando que el sistema total es reversible determine la temperatura final en B y el coeficiente de realización.

Respuestas: a) 263,55 ºC

5) Considere el proceso que se muestra. El tanque A aislado tiene un volumen de 600 l y contiene vapor a 1400 kPa y 300 ºC. El tanque B, sin aislar tiene un volumen de 300 l y contiene vapor a 200 kPa y 200 ºC. Se abre la válvula que conecta los dos tanques y fluye vapor de A hacia B hasta que la temperatura en A llega a 250 ºC. se cierra la válvula. Durante el proceso se transfiere calor de B al entorno a 25 ºC, de modo que la temperatura permanece constante en 200 ºC. Se supone que el vapor que queda en A ha sufrido una expansión adiabática reversible. Determine:

a) La presión final en cada tanqueb) La masa final en el tanque Bc) El cambio neto de entropía para

todo el procesoRespuestas: a) 949,52 kPa, 799,85 kPa; b) 1,15 Kg; c) 0,7627 kJ/KgK

6) En el siguiente sistema existe un cilindro-pistón sin fricción inicialmente aislado, dentro del tanque se tiene 0.19 kg de agua a 200 kPa y 300 ºC. Externamente existe una fuerza que comprime el agua lentamente hasta los soportes inferiores en los cuales el volumen es de 150 litros. Después de alcanzar los topes, es retirado el aislamiento y se permite que el sistema intercambie calor con los alrededores que se encuentran a 373K, hasta el momento en el cual el incremento neto de entropía es de 0.03 kJ/K .Determine:

(a) Presión dentro del sistema cuando el pistón toca los soportes inferiores

(b) El trabajo total realizado.(c) Presión y temperatura final del

sistema.

(d) Calor intercambiado durante el proceso.

7) Un globo elástico soporta una presión interna P0=100 kPa hasta que tiene un diámetro de D0=0,5 m, después de lo cual se

.El globo, que inicialmente esta plano y vacío, se conecta mediante una válvula a aun tanque rígido de 130 l, aislado que contiene amoniaco a 1000 kPa y 50 ºC. Se abre la válvula y el amoniaco fluye del tanque al globo inflándolo hasta que pasa por un punto de presión máximo de 300 kPa. Durante el proceso el amoniaco que permanece en tanque A ha sufrido una expansión adiabática reversible y la temperatura dentro del globo permanece constante a la temperatura ambiente de 20 ºC. Determinar:

a) La presión dentro del tanque cuando el globo alcanza la presión máxima de 300 kPa

Respuestas: a) 501 kPa.

8) Un cilindro aislado térmicamente excepto por una de sus paredes, tal como se muestra en la figura, esta dividido en dos compartimientos Ay B, mediante un pistón no conductor del calor. El movimiento del pistón esta restringido por

un pasador. Inicialmente el compartimiento A contiene 4 Kg de R-12 a 960,7 kPa ocupando un volumen de 50 l. El compartimiento B contiene agua a 3000 kPa y 350 ºC, ocupando un volumen de 100 l. Se procede a retirar el pasador de manera que este se mueva libremente hasta que la presión es de 2000 kPa. Durante este proceso se permite el intercambio de 100 kJ de calor con los alrededores que se encuentran a 313 K. Determine:

a) Temperatura final en cada compartimiento

b) Trabajo intercambiado por el R-12c) ¿El proceso es posible o no?

9) Un dispositivo cilindro pistón contiene 2 kg de amoniaco con una calidad del 25 % y -15 ºC de temperatura, el pistón es antifricción y no conductor del calor. Conectado al pistón existe un resorte que inicialmente esta comprimido. El amoniaco intercambia calor libremente con el medio exterior que se encuentran a 30 ºC, hasta alcanzar el equilibrio térmico con el mismo. Durante el proceso el cambio neto de entropía es de 0.8 kJ/K. determine:

a) Presión finalb) Calor intercambiado con el

ambientec) Trabajo realizado o recibido

durante el proceso.

10) El arreglo cilindro pistón mostrado consta de dos compartimientos A y B divididos mediante un pistón adiabático y sin fricción. El compartimiento A, completamente aislado térmicamente, contiene 0,05 kg de agua ocupando un volumen de 0,5 m3 a 50 kPa; mientras que el B contiene 0,5 m3 de agua a 100°C. Se procede a suministrar calor muy lentamente al agua en B desde el medio ambiente a una temperatura To, hasta que al sistema alcanza una presión de 100 kPa. Determine:

a) Temperatura final del agua en Bb) Trabajo realizado por Bc) Calor recibido por Bd) Si el medio ambiente tiene una

temperatura To=500K, determine si el proceso es posible.

11) Se tiene un globo esférico que cumple

con la ecuación ; inicialmente dentro del globo hay 2 kg de amoniaco a -30 ºC con calidad del 40 %, este sistema es expuesto a un fuente externa que se encuentra a 433 K, se produce un intercambio de calor hasta el instante en que la variación de entropía neta para el proceso es de 3.12 kJ/K. Determinar:

1) Determinar la presión final2) Trabajo realizar3) Calor transferido

12) Un arreglo cilindro pistón aislado térmicamente contiene amoníaco (NH3) inicialmente a -20°C y 80% de calidad ocupando un volumen de 10 litros. Se retira el pasador que sostiene al pistón y este se mueve hasta que alcanza el equilibrio mecánico. El pistón tiene una masa tal que se requiere una presión de 800 kPa dentro del cilindro para vencer la presión atmosférica. Después de alcanzar dicho estado, se retira el aislante y se permite el intercambio de calor con el medio ambiente que se encuentra a 30 °C hasta que finalmente el amoníaco alcanza el equilibrio termodinámico con el medio ambiente. Determine:

a) Trabajo realizado durante todo el proceso.

b) Calor transferido durante todo el proceso.

Determine si el proceso es posible según la segunda ley de la termodinámica

13) Un tanque rígido adiabático de 1000 litros contiene agua a 300 ºC y 300 kpa, está conectado mediante una válvula a un globo cuya presión es directamente proporcional al volumen, inicialmente dentro del globo hay agua a 50 kPa y 100 ºC con un volumen de 500 litros. Se procede abrir la válvula lentamente hasta que la presión en el tanque alcanza un valor de 200 kPa y la temperatura del agua en el globo es de 150 ºC. Se sabe que la masa que queda en el tanque sufre una expansión adiabática reversible. Determine:

a) Estado final en cada tanque.

b) Calor transferido durante el proceso

c) Determine si este proceso es ideal, real o imposible.

14) En el sistema termodinámico mostrado en la figura, se tienen dos cilindros A y B totalmente aislados, en el cilindro A exite inicialmente agua a 3500 kPa y 500 ºC, en el cilindro B hay un pistón sin fricción y no conductor del calor que reposa en la parte inferior del compartimiento, además existen 3 kg de R-12 a 500 kPa y 70 ºC, estos cilindros están conectados por medio de una válvula que inicialmente está cerrada. La válvula es abierta lentamente hasta el momento en que se alcanza el equilibrio mecánico entre ambos cilindros, en ese momento el agua que se encuentra en el cilindro A y B tiene un estado uniforme. Se sabe que para levantar el pistón es necesaria una presión de 200 kPa. Determine:

(a) Presión y temperatura final en A y B.(b) Determine si este proceso viola o no la

segunda ley de la termodinámica

15) En la figura mostrada, se observan dos tanques rígidos interconectados A y B. El tanque A de 1 m3 totalmente adiabático contiene agua a 600kPa y 300°C; mientras que el tanque B no aislado térmicamente y con un volumen de 0,5 m3 contiene 1 kg de agua a 200 kPa. Se abre lentamente la válvula que interconecta los tanques y cuando se iguala la presión se cierra la válvula, momento en el cual la temperatura en el tanque B es de 200 °C. Se puede asumir que la masa que queda en

el tanque A ha sufrido una expansión adiabática reversible. Para la situación planteada determine:

Presión Final de A y B Temperatura final de A Si la temperatura del medio

ambiente es de 200 ºC determine si este proceso es: ideal, real o imposible.

16) Se tiene un sistema de cilindro pistón conectado a un tanque rígido tal y como se muestra en la figura. Inicialmente dentro del tanque A se tiene amoniaco a 1400 kPa y 220 ºC ocupando un volumen de 250 litros; en el cilindro B se tiene amoniaco a 400 kPa y 140 ºC ocupando un volumen de 50 litros. La válvula que inicialmente está cerrada es abierta hasta el momento en el cual el sistema alcanza un estado uniforme y el equilibrio térmico con el medio exterior. Se sabe que para este proceso el sistema presenta un cambio neto de entropía igual a 0.63 KJ/ K.Para la situación planteada determinar:

a) Temperatura de medio exterior.b) Calor transferido durante el proceso.c) Trabajo realizado durante el proceso.