1. Considerar un río que fluye hacia un lago a una velocidad promedio de 3 m/s con un gasto de 500 m3/s desde un lugar a 90 m sobre la superficie del lago. Determinar la energía mecánica total del agua de rio por unidad de masa y la capacidad de generación de potencia del rio en ese lugar.

2. La energía eléctrica es generada instalando un sistema turbina hidráulica-generador en un lugar 120 debajo de la superficie libre de un gran reservorio de agua que puede abastecer agua con un flujo de 1500 kg/s en forma permanente. ¿Cuál es la máxima capacidad de generación de energía?

3. En cierto lugar, el aire sopla en forma estable a una velocidad de 10 m/s. Determinar la energía mecánica del aire por unidad de masa y la capacidad de generación de potencia de un turbina eólica con palas de 60 m de diámetro en dicho lugar. Tomar la densidad el aire como 1.25 kg/m3.

4. Un chorro de agua que sale de una tobera a 60 m/s con un flujo másico de 120 kg/s es usado para generar energía golpeando los cangilones localizados en el perímetro de una rueda. Determinar la capacidad de generación de energía de este chorro de agua.

5. Dos sitios se están considerando para generación de energía eólica. En el primer sitio, el viento sopla establemente a 7 m/s por 3000 horas al año, mientras que en el segundo sitio sopla a 10 m/s por 2000 horas al año. Por simplificación se va asumir que la velocidad del aire es despreciable en las otras horas del año. Determinar cual de los dos sitios es mejor para la generación de energía eólica. Nota: notar que el flujo másico del aire es proporcional a la velocidad del aire.

6. Un río que fluye en forma estable con un caudal de 240 m3/s se esta considerando para la generación de energía hidroeléctrica. Se determina que puede construirse una represa para recoger el agua y liberarlo desde una diferencia de altura de 50 m para generar la energía. Determinar cuanta energía puede generarse de este río después que la represa ha sido llenada.

7. Una persona entra a un ascensor a la altura del vestíbulo del hotel junto con su maleta de 30 kg, y lo abandona en el decimo piso a una altura de 35 m. Determinar la cantidad de energía consumida por el motor del elevador y que ahora estas almacenada en la maleta.

8. Un carro es acelerado desde el reposo a 85 km/h en 10 segundos. ¿La energía transferida por el carro será diferente si fuera acelerado a la misma velocidad en 5 segundos?

9. Levantar un peso a una altura de 20 m toma 20 s para un a grúa y 10 s para otra. ¿existe alguna diferencia en la cantidad de trabajo realizado sobre el peso por cada grúa?

10. Determinar la energía requerida para acelerar un carro de 800 kg desde el reposo a 100 km/h sobre una pista horizontal.

11. Determinar la energía requerida para acelerar un carro de 1300 kg desde 10 a 60 km/h sobre una pista con pendiente que tiene una elevación vertical de 40 m.

12. Determine el torque aplicado al eje del un carro que transmite 450 hp y gira a una velocidad de 3000 rpm.

13. Determine el trabajo requerido para desviar un resorte lineal por 20 cm desde su posición de reposo y que tiene una contante de resorte igual a 70 kN/m.

14. El motor de un automóvil de 1500 kg tiene una potencia nominal de 75 kW. Determinar el tiempo requerido para acelerar este carro desde el reposo hasta una velocidad de 100 km/h a potencial completa sobre una pista horizontal. ¿es tu respuesta realista?

15. Un telesquí tiene una vía con una longitud de 1 km y elevación vertical de 200 m. las sillas están espaciadas cada 20 m, y en cada silla pueden sentarse tres gentes. El levantamiento se realiza a una velocidad constante de 10 km/h. Despreciando la fricción y el arrastre del aire y asumiendo que la masa promedio de cada silla cargada es 250 kg, determine la energía requerida para operar este telesquí. También estimar la energía requerida para acelerar este telesquí en 5 s a su velocidad de operación cuando este es recién arrancado.

16. Determine la energía requerida para que un carro de 2000 kg suba un camino ascendente de 100 m de largo con una cuesta de 30°

(desde la horizontal) en 10 s (a) a una velocidad constante, (b) desde el reposo hasta una velocidad final de 30 m/s, y (c) desde 35 m/s hasta una velocidad final de 5 m/s. Despreciar la fricción, resistencia del aire y resistencia al rodamiento.

17. Un coche dañado de 1200 kg esta siendo remolcado por un camión. Despreciando la fricción, la resistencia del aire, y la resistencia al rodamiento, determinar la energía suplementaria requerida (a) para una velocidad constante sobre un camino horizontal, (b) para una velocidad constante de 50 km/h sobre un camino ascendente de 30° (desde la horizontal), y (c) para acelerar sobre un camino horizontal desde el reposo hasta 90 km/h en 12 s.

18. Se esta calentando agua en un tacho cerrado mientras se agita con un agitador de paleta. Durante el proceso, 30 kJ se transfiere al agua, y 5 kJ de calor se pierde al aire que lo rodea. El agitador de paleta realiza un trabajo en una cantidad de 500 N.m. Determinar la energía final del sistema si su energía inicial es 10 kJ.

19. Un dispositivo pistón-cilindro vertical contiene agua y se esta calentando por encima de un rango. Durante el proceso, 65 Btu de calor es transferido al agua, y se pierde calor por las paredes laterales en una cantidad de 8 Btu. El pistón se eleva como resultado de la evaporación, y 5 Btu de trabajo es realizado por el vapor. Determinar el cambio en la energía del agua para este proceso.

20. Un salón de clase que normalmente contiene 40 personas tiene aire acondicionado con unidades de acondicionamiento de aire a la ventana con una capacidad de enfriamiento de 5 kW. Puede asumirse que una persona en reposo disipa calor a una velocidad de cerca de 360 kJ/h. Existen 10 focos en el salón, de 100 W cada uno. La velocidad de transferencia de calor al salón de clases a través de las paredes y las ventanas se estima en 15000 kJ/h. Si el aire del salón debe mantenerse a una temperatura constante de 21°C, determine el número de unidades de acondicionamiento de aire a las ventanas necesarias.

21. Los requerimientos de iluminación de una planta industrial se consigue con 700 lámparas fluorescentes de 40-W. Las lámparas están cerca de completar su tiempo de vida y pueden ser reemplazados por lámparas más eficientes (similar iluminación) de 34-W en la misma instalación. Las lámparas estándares y las de alta eficiencia pueden comprarse en cantidad a un costo de $ 1.77 y $2.26 cada una, respectivamente. La planta industrial opera 2800 horas al año. Tomando como costo unitario de electricidad $ 0.08/kWh y un factor de perdida de 1.1 (es decir la instalación consume 10% de la potencia consumida por las lámparas), determinar cuanta energía y dinero puede ahorrarse por año como resultado de cambiarse a lámparas fluorescentes más eficientes. También, determinar el tiempo simple de recuperación de la inversión.

22. Las necesidades de iluminación de un depósito de almacenamiento se consigue con 6 juegos de iluminación de fluorescentes, cada juego contiene cuatro lámparas de 60 W cada uno. Todas las lámparas están prendidas durante la operación de la facilidad, la cual es de 6 a.m. hasta las 6 p.m los 365 días del año. El depósito de almacenamiento se realmente usado solo por un periodo de 3 horas al día. Si el precio de la electricidad es $ 0.08/kWh, determinar la cantidad de energía y dinero que será ahorrado como resultado de instalar sensores de movimiento. También, determinar el tiempo de recuperación de dinero si el precio de compra del sensor es $32 y toma 1 hora para instalarlo a una costo de $40.

23. Un campus universitario tiene 200 salones de clase y 400 oficinas de facultad. Los salones de clase están equipados con 12 tubos fluorescentes, cada uno consumiendo 110 W, incluyendo la electricidad usada por perdidas (en el térmico e interruptores). Las oficinas de las facultades, en promedio, tienen la mitad de los tubos utilizados. El campus esta abierto 240 días al año. Los salones de clase y las oficinas de facultad están desocupadas en promedio 4 horas al día, pero las luces se mantienen prendidas. Si el costo unitario de electricidad es $0.082/kWh, determinar cuanto ahorrara el campus al año si las luces en los salones de clase y las oficinas de facultad se apagan durante los periodos desocupados.

24. Considerar un cuarto que inicialmente esta a la temperatura ambiente de 20°C. El cuarto contiene un tubo fluorescente de 100-W, una TV de 110-W, un refrigerador de 200-W, y un plancha de 1000-W. Asumiendo que no hay transferencia de calor a través de las paredes, determinar la velocidad de incremento del contenido de energía en el cuarto cuando todos estos dispositivos eléctricos están prendidos.

25. Un ventilador debe acelerar aire quieto a una velocidad de 10 m/s y un caudal de 4 m3/s. Determinar la energía mínima que debe abastecerse al ventilador. Tomar la densidad del aire como 1.18 kg/m3.

26. Considerar un ventilador instalado en un ducto cuadrado de 3 pies x 3 pies. Se mide las velocidades en varios puntos en la salida, y la velocidad del flujo promedio se determina ser 22 pies/s. considerar la densidad del aire como 0.075 lbm/pie3, estimar el consumo de energía eléctrica mínima del motor del ventilador.

27. Una bomba de agua que consume 2 kW de energía eléctrica cuando opera se afirma que toma agua de un lago y lo bombea hasta una piscina cuya superficie abierta esta 30 m encima de la superficie libre del lago a un caudal de 50 L/s. Determinar si esta afirmación es razonable.

28. La fuerza impulsora para el flujo de un fluido es la diferencia de presión, y una bomba opera elevando la presión de un fluido (convirtiendo el trabajo de eje mecánico a energía de flujo). Una bomba de gasolina se mide que consume 5.2 kW de energía eléctrica cuando esta operando. Si la presión diferencial entre la salida y la entrada de la bomba se mide que es 5 kPa y los cambios en la velocidad y elevación son despreciables, determinar el caudal máximo posible de gasolina.

29. Un ventilador de 60-W de un sistema central de calentamiento se utiliza para hacer circular aire a través de los ductos. El análisis del flujo muestra que el ventilador necesita elevar la presión del aire por 50 Pa para mantener el flujo. El ventilador es localizado en una sección de flujo horizontal cuyo diámetro es 30 cm tanto en la entrada como en la salida. Determinar la velocidad de flujo promedio más alta posible en el ducto.

30. A condiciones de diseño de invierno, una casa es proyectada para perder calor a una velocidad de 60000 Btu/h. El calor interno ganado de la gente, iluminación, y servicios se estima ser 6000 Btu/h. Si esta casa es calentada por calentadores de resistencia eléctrica, determinar la potencia nominal requerida de estos calentadores en kW para mantener la casa a temperatura constante.

31. Una escalera mecánica en una tienda comercial es diseñada para mover 30 personas, de 75 kg cada una, a una velocidad constante de 0.8 m/s con una pendiente de 45°. Determinar la energía mínima de entrada necesaria para operar esta escalera mecánica. ¿Cuál seria tu respuesta si la velocidad de la escalera mecánica fuera duplicada?

32. Considerar un carro de 1400 kg viajando a velocidad constante de 70 km/h. Ahora el carro empieza a pasar a otro carro, acelerando a 110 km/h en 5 s. Determine la energía adicional necesaria para lograr esta aceleración. ¿Cuál será tu respuesta si la masa total del carro fuera solo 700 kg?

33. Considerar un quemador abierto eléctrico encapuchado de 3-kW en un área donde el costo de electricidad y gas natural son $0.07/kWh y $1.20/termia, respectivamente (1 termia = 29.3 kWh). La eficiencia de los quemadores abiertos puede considerarse ser 73% para los quemadores eléctricos y 38% para los quemadores a gas. Determinar la velocidad de consumo de energía y los costos unitarios de la energía utilizada tanto para el quemador eléctrico como para el quemador a gas.

34. Se deja de usar un motor de 75-hp (salida del eje) que tiene una eficiencia de 91% y es reemplazado por un motor de 75-hp de alta

eficiencia que tiene una eficiencia de 95.4%. Determine la reducción en el calor ganado por el cuarto debido a la más alta eficiencia bajo condiciones de carga máxima.

35. Un carro eléctrico de 90-hp (salida en el eje) es movido por un motor eléctrico instalado en el compartimiento de la maquina. Si el motor tiene una eficiencia promedio de 91%, determine la velocidad de abastecimiento de calor por el motor al compartimiento de la maquina a carga total.

36. Se deja de usar un motor de 75-hp (salida en el eje) que tiene una eficiencia de 91% y va ser reemplazado por un motor de alta eficiencia que tiene una eficiencia de 95.4%. El motor opera 4368 horas al año con un factor de carga de 0.75. Tomando el costo de electricidad como $0.08/kWh, determinar la cantidad de energía y dinero ahorrado como resultado de instalar el motor de alta eficiencia en lugar del motor estándar. También, determinar el tiempo de recuperación del dinero si el precio de compra de los motores estándar y de alta eficiencia son $5449 y $5520, respectivamente.

37. Los requerimientos de vapor de una planta industrial se satisface con un caldero cuyo ingreso de calor registrado es 3.6x106 Btu/h. La eficiencia de la combustión de la caldera medida por un analizador de gas manual es 0.7. Después de ajustar las condiciones de la caldera, la eficiencia aumenta a 0.8. El caldero opera 1500 horas al año intermitentemente. Tomando que el costo de la energía es $4.36/106

Btu, determinar el ahorro anual de energía y de costo como resultado de ajustar correctamente las condiciones de la caldera.

38. Reconsiderar el problema 37. Estudiar los efectos del costo unitario de la energía y la eficiencia de la combustión sobre la energía anual utilizada y los ahorros de costo. Considerar que la eficiencia varía de 0.6 hasta 0.9, y el costo unitario varia de $4 a $6 por millón de Btu. Haga una grafica de la energía anual utilizada y los ahorros en el costo contra la eficiencia para costos unitarios de $4, $5, y $6 por millón de Btu, y discutir los resultados.

39. Un gimnasio tiene 8 máquinas para levantamiento de pesas que no tiene motores y cuatro fajas de trote cada una equipada con un motor de 2.5-hp (salida en el eje). Los motores operan a un factor de carga promedio de 0.7, en el cual su eficiencia es 0.77. Durante las horas pico en el atardecer, todas las piezas del equipo de gimnasio son utilizadas continuamente, y hay dos personas haciendo ejercicios de calentamiento mientras espera en la cola para poder utilizar un equipo del gimnasio. Asumir una velocidad promedio de disipación de calor de la gente en el gimnasio de 525 W, determinar la velocidad de

ganancia de calor del gimnasio por la gente y por el equipo en condiciones pico.

40. Considerar un salón de clases con 55 estudiantes y un instructor, cada uno generando calor a un ritmo de 100 W. La iluminación es proporcionada por tubos fluorescentes de 40 W cada uno, y los arrancadores consumen una 10% adicional. Determinar la velocidad de generación de calor interna en el salón de clase cuando esta completamente ocupado.

41. Un cuarto se esta enfriando por circulación de agua helada a través de un intercambiador de calor localizado en la habitación. El aire es circulado a través del intercambiador por un ventilador de 0.25-hp (salida en el eje). La eficiencia típica de un motor eléctrico pequeño que maneja un equipo de 0.25 hp es 54%. Determinar la velocidad de abastecimiento de calor por el conjunto ventilador-motor en la habitación.

42. La energía eléctrica es generada por la instalación de un sistema turbina hidráulica-generador en un lugar 70 m por debajo de la superficie libre de un gran reservorio de agua que puede abastecer agua a un flujo de 1500 kg/s en forma estable. Si la potencia mecánica producida por la turbina es 800 kW y la generación de energía eléctrica es 750 kW, determinar la eficiencia de la turbina y la eficiencia combinada de la turbina-generador de esta planta. Despreciar perdidas en las tuberías.

43. En cierto lugar, el viento esta soplando en forma estable a 12 m/s. Determinar la energía mecánica del aire por unidad de masa y la capacidad de generar energía de una turbina de viento con hojas de 50 m de diámetro en dicho lugar. También determinar la generación de energía real asumiendo una eficiencia total de 30%. Considerar la densidad del aire como 1.25 kg/m3.

44. Reconsiderar el problema 43. Investigar el efecto de la velocidad del viento y el diámetro de impulsor sobre la generación de energía eólica. Haga variar la velocidad de 5 hasta 20 m/s en incrementos de 5 m/s, y que el diámetro varíe de 20 a 80 m en incrementos de 20 m. Tabular los resultados, y discutir el significado

45. Una turbina de viento esta rotando a 15 rpm bajo vientos estables que fluyen a través de la turbina a un ritmo de 42000 kg/s. La velocidad en la punta de la hoja de la turbina llega a 250 km/h. Si se produce una energía de 180 kW por esta turbina, determinar (a) la velocidad promedio del aire y (b) la eficiencia de conversión de la turbina. Tomar como densidad del aire 1.31 kg/m3.

46. Se bombea agua de una lago a un tanque de almacenamiento situado a 20 m de altura con un caudal de 70 L/s mientras se consume 20.4 kW de potencia eléctrica. Despreciando cualquier pérdida por fricción en las tuberías y algún cambio en la energía cinética, determinar (a) la eficiencia total de la unidad bomba-motor y (b) la diferencia de presión entre la entrada y salida de la bomba.

47. Una bomba geotérmica es usada para bombear agua de mar cuya densidad es 1050 kg/m3 con un gasto de 0.3 m3/s desde una profundidad de 200 m. Para una eficiencia de la bomba de 74%, determinar la energía requerida que debe ingresar a la bomba. Desprecie las pérdidas por fricción en las tuberías, y asuma que el agua geotérmica a 200 m de profundidad es expuesta a la atmósfera.

48. Considere un motor eléctrico con una salida de potencia al eje de 20 kW y una eficiencia de 88%. Determinar la velocidad a la cual el motor disipa calor a un cuarto cuando este opera a carga total. En invierno, este cuarto es normalmente calentado con un calentador de resistencia de 2 kW. Determinar si es necesario prender el calentador cuando el motor opera a carga completa.

49. Turbinas grandes de viento con diámetro de paletas de más de 100 m están disponibles para generación de energía eléctrica. Considerar una turbina de viento con un diámetro de impulsor de 100 m instalado en un lugar sujeto a vientos estables de 8 m/s. tomando una eficiencia global de la turbina de viento como 32% y la densidad del aire 1.25 kg/m3, determinar la cantidad de energía eléctrica generada por esta turbina de viento. También, asumiendo vientos estables de 8 m/s durante un periodo de 24 horas, determinar la cantidad de energía eléctrica y la ganancia económica ganada por día considerando un precio unitario de $0.60/kWh para la electricidad.

50. Una bomba de agua entrega 3 hp de potencia en el eje cuando esta operando. Si la presión diferencial entre la salida y la entrada de la bomba es 1.2 psi cuando el caudal es 8 pie3/s y los cambios en la velocidad y elevación son despreciables, determinar la eficiencia mecánica de esta bomba.

51. Se bombea agua de una reservorio más bajo a un reservorio más alto por una bomba que proporciona 20 kW de potencia al eje. La superficie abierta del reservorio superior esta 45 m más alta que del reservorio más bajo. Si la velocidad de flujo medido es 0.03 m3/s, determinar la energía mecánica que es convertida a energía térmica durante este proceso debido a efectos de fricción.

52. Una bomba de 7 hp (en el eje) es utilizada para elevar agua a una altura de 15 m. Si la eficiencia mecánica de la bomba es 82%, determinar el caudal máximo de agua que se puede esperar de esta bomba.

53. Una turbina hidráulica tiene 85 m de diferencia en elevación disponible con un caudal de 0.23 m3/s, y la eficiencia global turbina-generador es 91%. Determinar la producción de energía eléctrica de esta turbina.

54. Una bomba de aceite consume 35 kW de potencia eléctrica al bombear aceite con ρ = 860 kg/m3 y con un caudal de 0.1 m3/s. Los diámetros de entrada y salida de la tubería son de 8 cm y 12 cm, respectivamente. Si el aumento de presión en la bomba se registra que es 400 kPa y la eficiencia del motor es 90%, determinar la eficiencia mecánica de la bomba.

55. Una bomba con una eficiencia de 73% con una potencia de entrada de 12 hp esta bombeando agua de un lago a una piscina cercana con un gasto de 1.2 pie3/s a través de una tubería de diámetro constante. La superficie abierta de la piscina esta 35 pies por

encima de lago. Determinar la energía mecánica usada para superar los efectos fricciónales en el sistema de bombeo.

56. Un Ford Taurus que recorre 15000 millas en un año utilizara cerca de 715 galones de gasolina comparada con un Ford Explorer que podría utilizar 940 galones. Aproximadamente 19.7 lbm de CO2, el cual origina calentamiento global, es liberado a la atmósfera cuando se quema un galón de gasolina. Determinar la cantidad extra de CO2 producido por un hombre que es responsable durante 5 años si el cambia su Taurus por un Explorer.

57. Cuando un hidrocarburo combustible es quemado, casi todo el carbón del combustible se quema completamente a CO2 (dióxido de carbono), el cual es principal gas causante del efecto invernadero y por lo tanto del cambio climático global. En promedio, 0.59 kg de CO2 es producido por cada kWh de electricidad generado por una planta de energía que quema gas natural. En un hogar típico un refrigerador nuevo utiliza cerca de 700 kWh de electricidad por año. Determinar la cantidad de producción de CO2 que se debe a la refrigeración en una ciudad con 200000 hogares.

58. Repetir el problema 57 asumiendo que la electricidad es producida por una planta de energía que quema carbón. La producción promedio de CO2 en este caso es de 1.1 kg por Kwh.

59. Considerar un hogar que utiliza 11000 kWh de electricidad por año y 1500 galones de combustible durante la estación de calefacción. La cantidad promedio de CO2

producido es 26.4 lbm/galón de combustible y 1.54 lbm/kWh de electricidad. Si este hogar reduce el uso de combustible y electricidad en 15% como resultado de implementar algunas medidas de conservación de energía, determinar la reducción en las emisiones de CO2 que ese hogar podría realizar en un año.

60. Un carro típico que es conducido por 12000 millas en un año emite a la atmósfera cerca de 11 kg por año de NOx (óxidos de nitrógeno), lo cual causa smog en las áreas de mayor población. El gas natural quemado en los hornos emiten cerca de 4.3 g de NOx

por termia, y las plantas de energía eléctrica emiten cerca de 7.1 g de NOx por kWh de electricidad producida. Considerar un hogar que tiene dos carros y consume 9000 kWh de electricidad y 1200 termias de gas natural. Determinar la cantidad de emisiones de NOx a la atmósfera por año de el cual este hogar es responsable.

61. Las superficies internas y externas de una pared de ladrillo de 5 m x 6 m y de espesor 30 cm y conductividad térmica 0.69 W/m.ºC se mantienen a temperaturas de 20ºC y 5ºC, respectivamente. Determinar la transferencia de calor a través de la pared, en W.

62. Las superficies internas y externas de una ventana de vidrio de 0.5 cm de espesor y 2m x 2 m en el invierno estan a 10ºC y 3ºC, respectivamente. Si la conductividad térmica del vidrio es 0.78 W/m.ºC, determinar la cantidad de perdida de calor, en kJ, a través del vidrio en un periodo de 5h. ¿Cuál seria su respuesta si el espesor del vidrio fuera 1 cm?

63. Reconsiderar el problema 62. Investigar el efecto del espesor del vidrio sobre la perdida de calor para las temperaturas especificadas de las superficies de vidrio. Variar el espesor del vidrio de 0.2 a 2 cm. Graficar la perdida de calor versus el espesor del vidrio, y discutir los resultados.

64. Un tacho de aluminio cuya conductividad térmica es 237 W/m.ºC tiene un fondo plano cuyo diámetro es 20 cm y espesor 0.4 cm. El calor es transferido constantemente para hervir agua en el tacho a través de su fondo a una velocidad de 500 W. Si la superficie interna del fondo del tacho esta 105ºC, determinar la temperatura de la superficie externa del fondo del tacho.

65.

of 500 W. Ifthe inner surface of the bottom of the pan is 105°C, determinethe temperature of the outer surface of the bottom ofthe pan.2–99 For heat transfer purposes, a standing man can bemodeled as a 30-cm diameter, 170-cm long vertical cylinderwith both the top and bottom surfaces insulated and with theside surface at an average temperature of 34°C. For a convectionheat transfer coefficient of 15 W/m2 · °C, determine therate of heat loss from this man by convection in an environmentat 20°C. Answer: 336 W2–100 A 5-cm-diameter spherical ball whose surface ismaintained at a temperature of 70°C is suspended in the middleof a room at 20°C. If the convection heat transfer coefficientis 15 W/m2 · C and the emissivity of the surface is 0.8,determine the total rate of heat transfer from the ball.2–101 Reconsider Problem 2–100. Using EES (orother) software, investigate the effect of the