Primera ley para estado uniforme flujo

uniforme (gas ideal)

1) Un dispositivo vertical de

cilindroémbolo contiene inicialmente 0,2

m3 de vapor a 1 MPa y 250°C. En este

punto un resorte lineal aplica su máxima

fuerza al émbolo. Después de esto se deja

escapar al vapor por una válvula

conectada al cilindro. Cuando el émbolo

se mueve hacia abajo, el resorte se

descomprime y en el estado final la

presión disminuye a 800 kPa y el volumen

a 0.1 m3. Si el estado final del cilindro

contiene sólo vapor saturado, determine:

a) las masas inicial y final dentro del

cilindro y b) la cantidad y dirección de

cualquier transferencia de calor.

2) Un dispositivo cilindro-pistón contiene

inicialmente 4 Kg. De amoníaco,

ocupando un volumen de 1,082 m3. Se

abre la válvula y el NH3 dentro del

cilindro fluye lentamente hacia el exterior.

Después de un cierto tiempo, se cierra la

válvula y en ese momento la masa

contenida en el cilindro es la mitad de la

masa inicial, la temperatura es -10 ºC y la

calidad 90%. Durante el proceso de

vaciado, la presión dentro del cilindro no

permanece constante y ésta varía según la

relación 2P cV donde C es una

constante. Por otra parte, mientras ocurre

el proceso, una corriente eléctrica de 15

Amperios pasa a través de una resistencia

de 2 ohmios colocada en el interior del

cilindro, durante un tiempo de 20 minutos.

Determine:

a) La temperatura inicial del amoníaco

b) El trabajo total en KJ

c) El calor transferido en KJ

3) El sistema que se muestra en la figura 8

consta de un cilindro adiabático dividido

en dos compartimientos por medio de un

pistón adiabático de 1250 kg. y área

transversal de 0,1 m². En el

compartimiento A hay 1,88 kg de R-22

con calidad del 95%. y esta conectado a

una línea de R-22 sobrecalentado a 700

kpa y 90 ºC. El compartimiento B

inicialmente contiene un gas a 150 kpa

ocupando un volumen de 0,45 m³. Se

procede abrir la válvula y R-22 ingresa

hasta el instante en que el volumen del

compartimiento B disminuye a un tercio

del volumen inicial. Se sabe que el gas se

comporta como gas ideal con calores

específicos constantes con la temperatura

y en todo momento cumple con la

ecuación nPV ctte para n = 1.0959. g=

10 m/s² Determine:

a) Trabajo en B.

b) Trabajo en A.

c) Temperatura final en A.

d) Masa que entra en A.

4) Un dispositivo cilindro embolo vertical

adiabático, contiene 0.2 m3 de vapor de

agua a 1 MPa y 250ºC, en este punto un

resorte lineal se encuentra comprimido. Se

deja escapar vapor por una válvula

conectada al cilindro, hasta que el

volumen es 0.1 m3, en cuyo momento el

resorte aun esta comprimido. Durante el

proceso se activa una resistencia de 40

ohmios ( Ω ) que se encuentra dentro del

cilindro y cuyo objetivo es mantener la

temperatura constante del vapor en 250ºC.

La resistencia se conecta a una 4 fuente de

110 voltios y el proceso dura 5 minutos.

Determine:

1). Presión final del agua.

2). Masa al final del proceso. Trabajo

intercambiado durante el proceso.

5) Se tiene un tanque rígido de 50 litros

como se muestra en la figura. Inicialmente

hay refrigerante R-12 a 20 ºC con 40 % de

calidad, existe un agitador que se usa para

mantener la temperatura del R-12

constante en 20 ºC durante todo el

proceso; conectado al tanque hay una

válvula que en el estado inicial esta

cerrada. Se procede abrir lentamente la

válvula para dejar escapar R-12 por un

periodo de 1 hora. Se sabe que la potencia

del eje es de 1,465 W. determinar:

a) La calidad en el estado fina

b) La masa que salio del tanque si todo el

proceso es adiabático

6) En la siguiente figura se presenta un

globo esférico dentro del cual existe agua

inicialmente a 1000 kPa y 350 ºC

ocupando un volumen de 30 litros.

Conectado al globo existe una válvula la

cual se encuentra cerrada inicialmente, El

globo esta hecho de un material tal que su

presión interna es directamente

proporcional al cuadrado del volumen en

cualquier instante durante el proceso. La

válvula es abierta permitiendo la salida de

masa hasta el momento en el cual la

temperatura del agua alcanza un valor de

250 ºC. Se puede considerar que el

proceso es adiabático. Para la situación

planteada determinar:

1) Presión final dentro del globo.

2) Masa de agua en el estado final y

masa que salió del globo.

3) Trabajo intercambiado

7) Se tiene un sistema cilindro pistón

topes como se muestra en la figura.

Inicialmente se tiene 0.1 Kg de agua a una

presión de 300 KPa y una temperatura de

210 °C. Unido al sistema existe una

válvula conectada a una línea de

alimentación donde fluye agua a una

presión de 500 KPa y una temperatura de

540 °C. Se abre la válvula permitiendo

que entren 0.5 Kg de agua desde la línea y

se cierra, observando que la temperatura

final del agua es de 300 °C. Dentro del

sistema existe una resistencia que se

conectó a una batería de 10 Voltios al

inicio del proceso, y se sabe que circuló

por la resistencia 2 Ampere de corriente.

Si el proceso duró 10 minutos.

Determinar

La posición final del pistón

(COMPRUEBE

ANALÍTICAMENTE)

Presión y volumen final del

sistema

Trabajo y calor transferido.

8) Un tanque de oxígeno para buceo de

forma totalmente cilíndrica, cuyo

diámetro interno es de 18 cm y su altura

de 35 cm; es llenado con oxígeno (O2,

SUSTANCIA PURA) de manera tal que

dentro del tanque se obtiene una presión

de 20 MPa a una temperatura inicial de

300 K. Un buzo utiliza el tanque durante

una expedición por un tiempo de treinta

(30) minutos, y debido a la diferencia de

temperatura entre el agua y el oxígeno,

este recibe calor a razón de 75 W. Al

finalizar el tiempo, el buzo determina que

ha utilizado la mitad de la masa inicial de

oxígeno que contenía su tanque.

Determine:

Temperatura a la cual sale el

oxígeno del tanque

Presión final dentro del tanque

Temperatura final del oxígeno

dentro del tanque

9) 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

10) 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 final

b) Temperatura de entrada

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

Nota: considerar el

gas ideal con calores específicos

constantes con la temperatura.

11) 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.

12) 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 final

d) Masa que salio del sistema

13) Se tiene un sistema cilindro pistón, en

el que inicialmente hay 1.5 Kg de 2N a

200 kPa y 300 K, este sistema es

conectado a una línea por la que fluye 2N

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 2N , 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:7

5*P C V . Si el proceso dura 1 hora

Determine:

a) Trabajo neto durante el proceso

b) Masa de 2N que ingreso al

sistema

c) Temperatura final del 2N

Nota el

nitrógeno se comporta como gas ideal

con calores específicos variables con la

temperatura

14) 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

600 ; 360 ; 0,83 .e e e

gP kPa T K m

s

Las condiciones iniciales del sistema son

1 1 1200 ; 320 ; 0,3 .P kPa T K m kg

Este sistema es colocado al lado de una

fuente la cual le entrega una transferencia

de calor al sistema de 0,067Q kW 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 3

3 3300 ; V 0,15 .P kPa m 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)

15) 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

inicial

b) El trabajo total realizado durante el

proceso

c) 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

16) Se tiene un sistema cilindro pistón

resorte con topes inferiores tal y como se

muestra en la figura, inicialmente dentro

del cilindro hay 10 litros de aire a 200 kPa

y 300 K; El sistema es conectado a una

línea de alimentación por la que circula

aire a 2000 kPa y 400 K. La válvula que

inicialmente se encuentra cerrada es

abierta e ingresa aire al sistema hasta el

momento en el cual la presión llega a

1600 kPa y se cierra la válvula. Se sabe

que el peso del pistón es de 9 kN la

presión barométrica de 100 kPa y durante

todo el proceso el intercambio de calor es

nulo. Determinar

a) Trabajo total

b) Temperatura del aire cuando la

presión es de 1600 kPa

c) Masa de aire que ingreso al

sistema

Nota el aire se comporta como gas ideal

con calores específicos variables con la

temperatura

17) El arreglo cilindro pistón aislado

térmicamente que se muestra en la figura

contiene inicialmente aire a 100 kPa y 25ºC,

con el pistón en la posición indicada, el área

del pistón es de 0.1 m2 y el resorte tiene una

constante de 10 kN/m. El fondo del cilindro

está conectado a una línea de alimentación

mediante una válvula, por esta línea fluye aire

a 800 kPa y 22ºC. La válvula se abre y el aire

de la línea de alta presión ingresa al cilindro.

La válvula se cierra cuando la presión en el

interior del cilindro es de 600 kPa.

1) Demuestre analíticamente la posición

del pistón en el estado final

2) Determine la masa de aire que ingreso

al sistema

3) La temperatura final

Nota el aire se comporta como gas ideal con calores

específicos variables con la temperatura

Maquinas térmicas

1) 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

2) 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.

3) 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

4) 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

5) 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%

6) 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?

7) 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

8) 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

9) 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.

10) 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?

11) 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

12) 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?

13) 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.

14) 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

15) 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 misma máquina operando bajo el

ciclo carnot , y el COP de la Máquina

Refrigeradora es el 80 % del COP de la

misma máquina operando bajo el ciclo

carnot. 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.

16) 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 la misma bomba

de calor operando bajo el ciclo carnot. 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

17) 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

T

b) 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

18) 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

19) Dos máquinas térmicas A y B

transmiten toda la potencia que producen

a las máquinas refrigeradoras R1 y R2

como se observa en la figura. Se conoce

los siguientes datos:

Las máquinas A y R2 son

máquinas de carnot

La eficiencia de la máquina A es la

mitad del coeficiente de la

máquina R2

Se conoce que QH de la máquina

A es 100 Kw y el QL de la

máquina R2 es 28,125 Kw, y el

QH de la máquina R1 es 20 Kw

Todo el calor que rechaza la

máquina A la recibe la máquina B

El trabajo producido por la

máquina B es un tercio del trabajo

producido por A

Determine:

1. Potencia de la máquina térmica A

2. Temperaturas T1 y T3

3. Compruebe si las máquinas B y R2

son reversibles, reales o

imposibles

20) Se dispone de un refrigerador (A) que

consume 5 kW de potencia para mantener

la temperatura del espacio refrigerado en -

10 °C, extrayendo 10 kW calor del mismo

y disipando calor hacia el aire de la

oficina donde se encuentra, la cual se

mantiene a una temperatura de 18°C

gracias a un aire acondicionado (B) que

disipa calor al medio exterior que se

encuentra a 35°C y consume 1 kW de

potencia. Determine:

1) COP de las máquinas

refrigeradoras A y B

2) Determine si las máquinas

refrigeradoras A y B son reales,

ideales o imposibles

3) Cuál sería la mínima potencia

requerida por cada máquina para

lograr mantener las temperaturas

de los depósitos térmicos en los

valores indicados

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 m

3. 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) 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 tanque

b) La masa final en el tanque B

c) El cambio neto de entropía para

todo el proceso

Respuestas: a) 949,52 kPa, 799,85 kPa;

b) 1,15 Kg; c) 0,7627 kJ/KgK

3) 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.

4) 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-12

c) ¿El proceso es posible o no?

5) 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 final

b) Calor intercambiado con el

ambiente

c) Trabajo realizado o recibido

durante el proceso.

6) 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 B

b) Trabajo realizado por B

c) Calor recibido por B

d) Si el medio ambiente tiene una

temperatura To=500K, determine

si el proceso es posible.

7) Se tiene un globo esférico que cumple

con la ecuación *P C V ; 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 final

2) Trabajo realizar

3) Calor transferido

8) 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.

c) Determine si el proceso es posible

según la segunda ley de la

termodinámica

9) 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.

10) 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.

11) 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.

12) Se tiene un sistema cilindro pistón sin

fricción accionado por una fuerza externa

tal y como se muestra en la figura.

Inicialmente dentro del cilindro se tiene

10 litros de amoniaco a 0 ºC y se sabe que

la masa de líquido para este estado es el

10% de la masa total. La fuerza externa

comprime al amoniaco en un proceso

cuasiestático hasta el momento en el cual

se han realizado 14 kJ de trabajo sobre el

amoniaco. Si el proceso es adiabático

determinar.

Presión y temperatura en el estado

final

13) Se tiene un sistema cilindro pistón

resorte topes inferiores tal y como se

muestra en la figura. Inicialmente se tiene

amoniaco a 800 kPa y 260 ºC este sistema

es expuesto al medio ambiente que se

encuentra a una temperatura T0 y existe un

intercambio de calor hasta el momento en

el cual la temperatura del amoniaco es de

30 ºC. Se sabe que cuando dentro del

cilindro existe una altura desde el fondo

del mismo hasta el pistón de 3 m el resorte

se encuentra en su longitud natural. Si el

proceso es reversible se desea saber lo

siguiente:

1. Demuestre analíticamente la

posición del pistón en el estado

final

2. Trabajo durante el proceso

3. Calor durante el proceso

4. Temperatura del medio exterior T0

Nota el resorte no se encuentra unido al

pistón

14) Se tiene un sistema de tanque rígido

aislado térmicamente excepto por una de

sus caras tal y como se muestra en la

figura, dicho tanque es dividido por un

pistón adiabático sin fricción en dos

compartimientos A y B, inicialmente en el

compartimiento A se tiene agua a 200 kPa

con calidad del 20 % ocupando un

volumen de 500 litros, en B hay agua a

150 ºC ocupando un volumen de 500

litros, se transfiere calor muy lentamente

al agua en B hasta el momento en el cual

la temperatura del agua en dicho

compartimiento alcanza los 600 ºC. para

la situación planteada se desea conocer lo

siguiente:

1) Presión final

2) Temperatura final en el

compartimiento A

3) Trabajo y calor para el

compartimiento B

4) Si la temperatura del medio

exterior es de 700 ºC determinar si

el proceso es posible o no.