1.Una maquina frigorífica que mantiene hielo a -5 ºC, funciona empleando aire como fluido de trabajo y realiza un ciclo de Carnot. La temperatura del foco caliente es de 18oC. Si el flujo de aire es de 1250 m3/h y la producción de hielo se logra a partir de agua a 15oC. Determinar: a) El coeficiente de funcionamiento de la maquina frigorífica. b) Calor extraído del foco frio. c) La potencia mínima en kW requerida para el funcionamiento del compresor. Datos: ρ aire=1,292 kg/m3; c agua=4,18 kJ/kgK; c hielo=0,5 kcal/kgK; L hielo=80 kcal/kg 2. Un sistema de calefacción eléctrico está alimentado por una potencia de 12 kW. El aire entra a una presión de 100 kPa y 18 ºC, sale a una temperatura de 22 ºC y libera calor a los alrededores a razón de 300 J/s (Figura 1). Suponiendo que el aire se comporta como un gas ideal, calcular: a) El caudal másico en (kg/s) de aire necesario. cp=1,003 kJ/kg.K y cv= 0,72 kJ/kgK. b) El caudal volumétrico equivalente en (m3/kg), suponiendo que la temperatura media del aire es de 20 ºC c) La variación de energía interna específica del aire durante el proceso. Considerar un comportamiento ideal del aire. Datos: Maire= 29 kg/kmol; R=8,31kJ/kmol.K 3. Una máquina de Carnot funciona entre dos focos de temperaturas 27ºC y 200 ºC. Si el foco de mayor temperatura cede al motor 8300J. Calcular: a) El rendimiento del motor y el calor que el motor cede al foco frío b)) Si el motor funciona como un frigorífico y recibe 8300J del foco frío, calcular su eficiencia y el calor que cede al foco caliente. c) Si los coeficientes de actuación de los apartados a) y b) se reducen al 85 % de su valor en ambos casos: calcular la entropía del universo para el motor y la máquina frigorífica, y razonar si ambos son reversibles. Figura 1Figura 1 300 W 4. Una máquina reversible de Carnot tiene un rendimiento de 0,25. Esta máquina expulsa cada segundo 11000 calorías que recibe la reserva de temperatura menor a 300 K. Calcular a) El trabajo producido por segundo con esta máquina, b) la temperatura de la reserva más caliente. SOL: a) 3666,6 cal/s. b) 400 K. 5. Una máquina reversible está en contacto con dos fuentes, alternativamente con las fuentes a temperaturas T1 = 450 K y T2=360 K y a continuación con las fuentes de temperaturas T1 y T3=300 K. Al cabo de un cierto número de ciclos, la máquina ha suministrado a la fuente a T2 una cantidad de calor de 1800 J y ha recibido de la fuente T3 una cantidad de calor igual a 600 J. Encontrar a) el trabajo total suministrado por la máquina y b) calcular su rendimiento. SOL: a) 150 J b) 11 %. 6. Calcular el calor cedido al refrigerante por un mol de nitrógeno al describir un ciclo de Carnot, sabiendo que en la primera isoterma y en la primera adiabática el volumen del gas se duplica. DATOS: temperatura del foco caliente 75ºC. SOL: -362,1 cal. 7. Dos máquinas reversibles que operan con un ciclo de Carnot, están colocadas en serie. La primera máquina A recibe calor a 727 ºC y cede calor a un depósito que está a una temperatura T. La segunda máquina B, recibe el calor que descarga la primera y a su vez suministra calor a un depósito a 7ºC. Calcular la temperatura en ºC para la situación en que: Calcúlese: a) La temperatura final de la mezcla. b) Los rendimientos de las dos máquinas sean iguales.5 cal/K. Determinar: a) El rendimiento de la máquina térmica. Calcular: a) La eficacia máxima de la nevera. 1780. determine cuánto tiempo tardará el refrigerador en enfriarlas. situado en una nave a 25ºC. b) La variación de entropía del conjunto.9 W.12. Una máquina térmica de Carnot recibe 90 kJ de un foco a 627 ºC y expulsa calor hacia el ambiente a 27 ºC. ¿Cuál es el método más eficaz de aumentar el rendimiento de un motor de Carnot. SOL: 2240 s. En una máquina de Carnot que utiliza N2 como fluido de trabajo. Un refrigerador doméstico que tiene una entrada de potencia de 450 W y una eficacia del 2. el nitrógeno está a 500 kPa.92 kJ. 13. d) El costo de la energía eléctrica necesaria para fabricar 100 kg de hielo a 0. b) El trabajo neto.89 kJ. SOL: 205. cada una de 10 kg.5 va a enfriar a 8 ºC cinco grandes sandías. irreversible o imposible. Suponiendo comportamiento ideal. Las sandías tienen un calor específico de 4. 240 K. Un kilogramo de vapor de agua a 100ºC se mezcla en un recipiente de paredes aislantes con 9 Kg de agua líquida a 13ºC. SOL: 66. 263. b) La potencia teórica de consumo de la nevera. La transmisión de calor entre el refrigerante y el líquido a enfriar se considera que es de 104 J/min. La quinta parte del trabajo que produce se utiliza para hacer funcionar una máquina frigorífica de Carnot. El trabajo producido por esta máquina se utiliza para hacer funcionar un ciclo frigorífico que extrae del mismo foco frío un calor de 600 J. SOL: a) 10. c) Irreversible. Dos cuerpos idénticos cuya masa es de 10 kg y calor específico a presión constante de 400 J/kgK se encuentran a las temperaturas de T1=300 K y T2=600K. determinar la potencia necesaria para que funcione el sistema de refrigeración. 17. c) 61. c) La potencia real si el rendimiento de la operación es del 75%. El volumen se duplica durante la expansión isotérmica. b)La variación de entropía del agua líquida. c) Demostrar si el proceso es reversible. Determinar la cantidad máxima de trabajo que puede extraerse de estos dos cuerpos utilizándolos como focos de una máquina térmica. b) –1444. 16. Si la unidad de refrigeración es capaz de trabajar con un rendimiento del 50% del máximo posible. 11.4 cal/K.5 K. determinar: a) El calor ganado por el sistema. 8. Calcular cuál debe ser la temperatura del foco caliente para que esta máquina frigorífica funcione como un ciclo inverso de Carnot.1 cal/K. En una nevera de compresión se trata de fabricar 5 kg de hielo cada hora. . 10. d) La eficacia o coeficiente de operación de la máquina frigorífica. c) Disminuir TF. partiendo de agua a 0ºC. impermeables al calor y que tienen una pared común.6%. SOL: a) 367 ºC b) 256 ºC. Ésta expulsa 60 kJ hacia el ambiente a 27 ºC. SOL: 59. Se ha proyectado un sistema de refrigeración para mantener un líquido a –20 ºC. b) 45. b) El trabajo que realiza la máquina térmica. b) 17.6 ºC. contienen hidrógeno a 25 y 20 atm y a las temperaturas de 20 y 25 ºC respectivamente.6. o disminuir la temperatura del foco frío? 14. Dos recipientes de volúmenes 4 y 5 litros.2 kJ/kg ºC. SOL: a) 75. El sistema total evoluciona hasta que se alcanza el equilibrio. Una máquina térmica funciona entre dos focos a las temperaturas de 800 K y 200 K extrayendo 600 J del foco caliente con un rendimiento de 0. Dato: calor latente de fusión del hielo: 80 cal/g. d) 0. a) Los dos trabajos de las dos máquinas sean iguales.09 euros/kWh.2 m3 al inicio de la expansión isotérmica. 12. 9. c) Si quisiéramos aumentar el rendimiento de ese motor ¿qué aconsejaría aumentar en 10ºC la temperatura del foco caliente o disminuir en 10ºC la temperatura del foco frío? SOL: a) 69. SOL: 320 K 15. -73 cal/K.1 cal/K. Calcular: a) La temperatura de equilibrio. del vapor y del universo. Si las sandías están a 20ºC. El ambiente exterior está a 27ºC. 60 kJ. Se ponen en contacto suprimiendo la pared común. aumentar la temperatura del foco caliente. La temperatura final de la expansión adiabática es de 0ºC.2 W. 95ºC y ocupa un volumen de 0. c) La temperatura del foco frío de la máquina frigorífica. SOL: a) 295. obteniéndose agua líquida. Suponer un comportamiento ideal del gas.21 W.11 euros.3 kJ. b) 0. Q23=-885 J. DATOS: c. c. c) _H12=1239 J. Un motor de ignición de seis cilindros. 23. que se comporta como un gas ideal.25=cte.95 J. V. b) 11. 25. Una cierta cantidad de aire seco se encuentra inicialmente en un estado (P. d) _Suni=0. DATOS: suponer que el aire es un gas diatómico de masa molecuar 28 g/mol. DATOS: cv=0. b) 1. b) W12 = 354 J.5 pulg. El gas inicialmente se encontraba a 60ºC y 400 kPa. b) El calor y el trabajo para cada proceso. DATOS: Lf =80 cal/g. Un cilindro provisto de un pistón contiene 2 g de aire en unas condiciones iniciales de 200 kPa y 600 K. cuatro tiempos.82 J/K. agua= 4. d) determinar si el proceso global es reversible o irreversible sabiendo que el entorno se encuentra a 1000 K. b) Indicar si el proceso es posible o no mediante el cálculo del cambio neto de entropía del universo para el proceso Dato: Peso molecular del nitrógeno 28 g/mol. Un recipiente rígido y adiabático de 200 l de volumen está dividido en dos volúmenes iguales por medio de una pared. SOL: -51. _H23= -1239 J. Las condiciones del vapor a la salida son 2600 kJ/kgK. La transferencia de calor entre la turbina y el entorno tiene lugar a una temperatura de 500K. Determinar la entropía generada por kilogramo de vapor.054 J/K.18. Determinar la temperatura final de equilibrio alcanzado y la cantidad de entropía generada. Ambos lados contienen nitrógeno. c) la variación de entalpía para cada proceso. Despreciar las variaciones de energía cinética y potencial entre la entrada y la salida.586 kJ/kgK 24. .547 cal/K 20. y está limitado a una temperatura máxima de ciclo de 1 600 °F. el otro a 200 kPa y 100ºC.7 J/K.8 K. Suponiendo que el gas se comporta según el modelo del gas ideal. 100 kPa.14 m3.9 pulg. Calcular el incremento de entropía que experimentan 6 g de hielo que se encuentran a 0ºC cuando pasan a agua líquida a 95 ºC. Una vez quitada la separación el nitrógeno alcanza un estado de equilibrio a 70ºC. se pide: a) El calor que recibe el gas. 21. El volumen mínimo confinado es 14 por ciento del volumen máximo confinado. toma aire a 14 psia y 65 °F.9 kJ/kgK a una velocidad de 160 m/s. b) Determinar si el proceso es reversible o irreversible calculando el cambio de entropía del universo. Una barra de metal de 800 g de peso se saca de un horno a 1600 K y se sumerge en un tanque cerrado que contiene 25 litros de agua a una temperatura de 300 K.719 J/gK. 0. con encendido por chispa. Un flujo de vapor de agua entra en una turbina con una entalpía específica de 3200 kJ/kg y una entropía específica de 6. El gas se expande en un proceso a presión constante hasta el doble de su volumen inicial (estado 2).63 kJ/K. _U12=885 J. Peso molecular=28. _U23= - 885 J.18 kJ/kgK. Dato: peso molecular del O2 es de 32 g/mol. operando en el ciclo ideal de Otto. T) = (140 Pa. SOL: a) 2376. 20ºC).97 g/mol.8 kJ/kgK SOL: a) 307. b) –20. Una gran masa de agua que se encuentra a 90ºC está en contacto con un cilindro provisto de un pistón que contiene 0. 19. SOL: 0. Determinar: a) P y T para todos los estados por los que pasa el gas.1 kg de O2. ¿Cuánta potencia producirá este motor cuando opera a 2 500 rpm? Use calores específicos constantes a temperatura ambiente. En situación estacionaria la turbina produce un trabajo igual a 540 kJ por kilo de vapor que la atraviesa.6 J/K. Determine el cambio de entropía en el proceso. SOL: a) W=0. suponiendo que el proceso fuera reversible. 7. Se comprime entonces hasta una presión de 1800 kPa mediante un proceso politrópico de ecuación PV1. Cada cilindro tiene un diámetro de 3. un lado está a 2 MPa y 200 ºC y. Seguidamente el pistón se asegura con un perno y se transfiere calor hasta que la temperatura final es de 600 K. SOL: 3. W23 = 0 J. 22. Suponiendo que la temperatura del entorno es de 20ºC determinar: a) el trabajo realizado por cada uno de los volúmenes de gas y el trabajo total. Debido al calor que recibe del agua el gas se expande hasta una presión de 150 kPa y 35ºC realizando un trabajo de 4 kJ. metal=0. Q12=1239 J. y cada émbolo tiene una carrera de 3. SOL: a) 1200 K.35 kJ/kgK y una velocidad de 100 m/s. La relación de compresión de un ciclo de Otto de aire estándar es 9. La relación de presiones durante el proceso de adición de calor a volumen constante es 1. Las temperaturas mínima y máxima del ciclo son 540 y 2. Usando valores de calores específicos a temperatura ambiente. opera en ciclo de Otto con una relación de compresión de 11. Determine la eficiencia térmica. la eficiencia térmica y la presión efectiva media de este motor cuando se modela con el ciclo de Otto. Un ciclo Diesel ideal tiene una temperatura máxima de ciclo de 2.4. Use calores específicos constantes a temperatura ambiente.072 kPa. 31.26.5.5. determine a) la cantidad de calor transferido al aire durante el proceso de adición de calor. determine a) la relación de cierre de admisión. Al principio de la compresión. La temperatura al final del proceso de expansión isentrópica es de 800 K. Este ciclo se ejecuta en motor de cuatro tiempos. La temperatura máxima que se encuentra por medición es 2. y d) la presión media efectiva. definido como la relación de la masa de combustible consumido al trabajo neto producido. b) el rechazo de calor por unidad de masa y c) la eficiencia térmica. la cantidad de calor agregada y la presión y la temperatura máximas del gas cuando se opera este ciclo a 80 kPa y 20 °C al principio de la compresión. Un ciclo Diesel ideal tiene una relación de compresión de 20 y una relación de cierre de admisión de 1. El estado del aire al principio de la compresión es P1 14.3. de 1. b) la cantidad de calor transferido al fluido de trabajo.2. 33. Un motor de gasolina de cuatro cilindros y cuatro tiempos. Un ciclo Diesel de aire estándar tiene una relación de compresión de 18. en g/kWh. Teniendo en cuenta la variación de calores específicos con la temperatura.3. c) la eficiencia térmica. 29. c) 59. 35 °C y 600 cm3. Un ciclo de Otto ideal con aire como fluido de trabajo tiene una relación de compresión de 8.7 psia al inicio del proceso de compresión. . Determine la potencia que produce este motor cuando opera a 1. y a 3.6 L. Use calores específicos constantes a temperatura ambiente. Respuestas: 247 Btu/lbm. Use calores específicos constantes a temperatura ambiente. 6.000 R al final del proceso de adición de calor. determine a) la temperatura al final del proceso de expansión. y la presión máxima en el ciclo es de 8 MPa. Un motor de ignición por chispa tiene una relación de compresión de 8. Tomando en cuenta las variaciones de calores específicos con la temperatura. Determine la temperatura máxima del aire y la tasa de adición de calor a este ciclo cuando produce 250 kW de potencia y el estado del aire al inicio de la compresión es 90 kPa y 15 °C. definida como la cantidad de aire dividida entre la cantidad de combustible admitido. con un diámetro interior de cilindro de 4 pulg y una carrera de pistón de 4 pulg. d) 652 kPa 28.300 °F y una relación de cierre de admisión de 1. Determine el calor suministrado por unidad de masa. El volumen mínimo confinado en el cilindro es 4.5 por ciento del volumen máximo del cilindro.300 °F. una eficiencia isentrópica de compresión de 85 por ciento y una eficiencia isentrópica de expansión de 95 por ciento. 32.800 rpm. de ocho cilindros.400 R. el aire en el cilindro está a 13 psia y 60 °F.4 psia y T1 50 °F. Un ciclo dual de aire estándar tiene una relación de compresión de 14 y una relación de cierre de admisión de 1.969 K.5 por ciento. 49. El aire está a 80 °F y 14. d) el número de revoluciones por minuto del motor para una producción de potencia neta de 50 kW y e) el consumo específico de combustible. 47. El aire está a 100 kPa y 37 °C al inicio del proceso de compresión. con una constante politrópica de 1. Los procesos de compresión y expansión pueden modelarse como politrópicos.4 por ciento. en kJ. Usando calores específicos constantes a 850 K. b) 0. determine a) la temperatura más alta y la presión más alta en el ciclo.0 psia 27. es 16. La relación aire-combustible. 30. Antes del proceso de compresión isentrópica.2. Respuestas: a) 1.59 kJ. el aire está a 100 kPa. b) la producción neta de trabajo y la eficiencia térmica. c) la presión media efectiva. Use calores específicos constantes a temperatura ambiente. b) la eficiencia térmica y c) la eficiencia térmica de un ciclo de Carnot que opera entre los mismos límites de temperatura. Un motor ideal Diesel tiene una relación de compresión de 20 y usa aire como fluido de trabajo. El estado del aire al inicio de la compresión es P1 14. de dos tiempos. Use calores específicos constantes a temperatura ambiente. Usando calores específicos constantes a 850 K.La temperatura de rocío final (°C) 5. Un ciclo dual ideal tiene una relación de compresión de 15 y una relación de cierre de admisión de 1. Calcule el trabajo neto específico del ciclo. Un ciclo dual de aire estándar tiene una relación de compresión de 18 y una relación de cierre de admisión de 1.La humedad específica final (kg de vapor/kg de aire seco) 3. Respuestas: a) 2.La temperatura de rocío inicial (°C) 4. en g/kWh.. La relación de presiones durante el proceso de adición de calor a volumen constante es 1.8.325 kPa.000 veces por minuto? Use calores específicos constantes a temperatura ambiente.La cantidad de vapor removido en el enfriamiento (kg de vapor de agua) 6.1. Si la humedad relativa de 1 kg de aire es igual a 65% a 35°C y a 101.325 kPa de presión. definido como la relación de la masa de combustible consumido al trabajo neto producido. Suponga calores específicos constantes para el aire a temperatura ambiente.34. El aire está a 70 °C y 97 kPa al principio del proceso de compresión. c) 847 39. y se enfría hasta 5°C.2 L. Al principio de la compresión P1 90 kPa. 37.La humedad específica inicial.0 L. b) 933 kPa 35.1. Una muestra de aire a una temperatura de 50°C de bulbo seco y 28°C de bulbo húmedo.2 psia y T1 75 °F. determine cuánta potencia entregará el motor a 2 300 rpm. 3. 57. b) 2.4. La relación de presiones durante el proceso de adición de calor a volumen constante es 1. Un motor diesel de cuatro cilindros. El aire está a 95 kPa y 67 °C al inicio del proceso de compresión y la velocidad de rotación del motor es de 1 750 rpm.. Un motor de ignición por compresión de seis cilindros. 36. Determine: . b) la producción neta de trabajo por ciclo y la eficiencia térmica. de 2. Si la temperatura máxima en el ciclo no ha de exceder 2. una relación aire-combustible de 28 y una eficiencia de combustión de 98 por ciento. a una presión constante de 101. d) la producción neta de potencia y e) el consumo específico de combustible. Usando las suposiciones de aire estándar frío. determine a) la temperatura máxima en el ciclo y la relación de cierre de admisión. es enfriada a 10°C con humedad relativa constante. determine a) la eficiencia térmica y b) la presión efectiva media. opera en un ciclo Diésel ideal con una relación de compresión de 19..4 por ciento.El porcentaje de compresión respecto al estado inicial (%) 40.(Kg de vapor/kg de aire seco) 2.71 kJ. manteniendo la presión constante a lo largo de éste proceso de enfriado. 38.. que opera en un ciclo Diesel ideal tiene una relación de compresión de 22 y una relación de cierre de admisión de 1. 2.. cuatro tiempos.500 kJ/kg.36.244 K. a la misma humedad relativa. El motor usa diesel ligero con un poder calorífico de 42.200 K. T1 18 °C y V1 0. El estado del aire al principio del proceso de compresión es 95 kPa y 20 °C. c) la presión media efectiva. la adición específica de calor y la eficiencia térmica.003 m3..1. Determine: 1.5 por ciento. Respuestas: a) 63. ¿Cuánta potencia producirá este ciclo cuando se ejecute 4. La cantidad de vapor que puede remover el aire caliente (kg de vapor de agua) 6.La cantidad de vapor removido en el enfriamiento (kg de vapor de agua) 6. se enfría hasta su punto de rocío y progresivamente hasta 5°C...El porcentaje de compresión respecto al estado inicial (%) 41... (Kg de vapor/kg de aire seco) 2. 1... Para el proceso de calentamiento y humidificación con humedad relativa constante.Una muestra de aire húmedo inicialmente a 25°C..La humedad específica final (kg de vapor/kg de aire seco) 3..La humedad específica inicial.La temperatura de rocío final (°C) 5.. Determine: 1...La humedad específica inicial.La temperatura de rocío final (°C) 5.028 kg de vapor/kg de aire seco..5 °F y el valor de su humedad específica es 0.325 kPa. éste mismo aire pasa a otra condición (2) en la que su lectura de bulbo seco es 118. Se quiere determinar: 1.La cantidad de vapor removido en el enfriamiento (kg de vapor de agua) 6...La cantidad de vapor que puede remover el aire caliente (kg de vapor de agua) 6. Determine: 1.. hasta enfriarse a 33°C. y se entrega a un secador donde se humidifica y enfría manteniendo la temperatura de bulbo húmedo constante..La humedad específica final (kg de vapor/kg de aire seco) 3..La humedad específica inicial.La temperatura de rocío inicial (°C) 4...La temperatura de rocío final (°C) 5.La temperatura de rocío inicial (°C) 4. hasta los 34°C.La temperatura de rocío final (°C) 5. se calienta hasta una temperatura de bulbo húmedo de 24°C manteniendo constante la humedad específica.El ratio de humedades (final/ inicial) de la mezcla ( ) 7.La humedad específica inicial..(kg de vapor/kg de aire seco) 2.La energía necesaria para el calentamiento (kJ/ kg de aire seco) 42.88 m3/kg aire seco.(Kg de vapor/kg de aire seco) 2.La humedad específica final (kg de vapor/kg de aire seco) 3. a una constante presión atmosférica de 101.El porcentaje de compresión (inicial y final) de la mezcla (%) 43. 2) El cociente entre los volúmenes específicos: final/ inicial .. Aire húmedo a 30°C y 0. Una mezcla de aire a 25°C. 1 atm y 70% de humedad relativa. en estas condiciones se entrega a un secador manteniendo constante la temperatura de bulbo húmedo.La energía necesaria para el calentamiento (kJ/ kg de aire seco) 44.. calcule el valor de: 1) La razón de humedades: final/inicial.El ratio de humedades (final/ inicial) de la mezcla ( ) 7.La temperatura de rocío inicial (°C) 4. (Kg de vapor/kg de aire seco) 2. Un aire atmosférico se encuentra en una condición (1) con lecturas de bulbo seco y húmedo de 86 y 68 °F.La humedad específica final (kg de vapor/kg de aire seco) 3.86 m3/kg de volumen específico..... 1 atm de presión y 0. se calienta hasta 46 °C..La temperatura de rocío inicial (°C) 4. 020 Ts: Temperatura de bulbo seco Tb: Temperatura de bulbo húmedo Tdp: Temperatura de punto rocío . Para una presión barométrica de 1 atm. que permitirán caracterizarlo: Estado Ts °C Tb °C H.R w Tdp h % (kg vapor/kg aire °C (kJ/kg aire seco) seco) 1 20 50 2 30 15 3 20 15 4 30 0.. 3) La razón de las temperaturas de rocío: final/inicial 4) La razón de las temperaturas de bulbo seco: final/inicial 5) La razón de las temperaturas de bulbo húmedo: final/inicial 6) La razón de entalpías: final/inicial 44.015 5 20 20 6 60 0. complete la siguiente tabla que a continuación se detalla para las seis condiciones de una mezcla de aire.