Deber1 Termo2

TERMODINAMICA II Deber # 1 Importante: Realizar a mano, en hojas cuadriculadas y debidamente grapadas. Indicar claramente sus datos personales. Este trabajo deberá ser entregado el día de la lección. No se aceptarán prorrogas por ningún motivo. 1) Un motor de automóvil consume combustible a razón de 28 L/h y entrega a las ruedas una potencia de 60kW. Si el e l combustible tiene un poder calorífico cal orífico de 44000 kJ/kg y una densidad de 0.8 g/cm³, determine la eficiencia del motor. Respuesta: 21.9% 12

2) En 2001, Estados Unidos produjo 51 por ciento de su electricidad, 1.878x10 kWh, en plantas con quemadores de carbón. Tomando la eficiencia t érmica promedio como 34%, determine la energía térmica rechazada por las plantas eléctricas de carbón en ese año 12

en Estados Unidos. Respuesta: 3.646 x10  kWh 3) Un refrigerador que se usa para producir alimentos en una tienda de abarrotes debe producir 10000 kJ de efecto de enfriamiento y tiene un coeficiente de desempeño de 1.35 ¿Cuántos kW de potencia necesitara este refrigerador para operar? Respuesta: 2.06 kW 4) El coeficiente de desempeño de una bomba de calor residencial es 1.6. Calcule el efecto de calentamiento, en kJ/s que esta bomba producirá cuando consuma 2 kW de potencia eléctrica. Respuesta: 3.2 kJ/s 5) Un refrigerador doméstico que tiene una entrada de potencia de 450 kW y un COP de 2.5 debe enfriar cuatro sandías grandes de 10 kg cada una, a 8 ºC. Si las sandías están inicialmente a 20 ºC, determine cuanto tardará el refrigerador en enfriarlas. Las sandías se pueden tratar como agua, cuyo calor específico es 4.2

kJ  . Respuesta: 2240 s kg º C

6) Una casa que se calentó por calentadores de resistencia eléctrica consumió 1200 kWh de energía eléctrica en un mes de invierno. Si en vez de esto, la casa se hubiera calentado con una bomba de calor con un COP promedio de 2.4 determine cuánto dinero hubiese ahorrado el propietario de la casa ese mes. Suponga un precio de la electricidad de 8.5 centavos por kWh. Respuesta: $59.50 7) Un refrigerador de alimentos debe dar un efecto de enfriamiento de 15000 kJ/h con un rechazo de calor de 22000 kJ/h. Calcule el COP de é ste refrigerador. Respuesta: 2.14 8) Considere un edificio cuya carga anual de enfriamiento de aire se estima en 120000 kWh en un área donde el costo de la electricidad es de 10 centavos por cada kWh. Se consideran dos acondicionadores de aire para el edificio. El acondicionador de aire A tiene un COP promedio de 3.2 y su adquisición e instalación cuesta $5500. El acondicionador B tiene un COP promedio de 5 y su adquisición e instalación cuesta $7000. Si todo lo demás es igual, determine cual de los dos acondicionadores de aire es la mejor compra. Respuesta: B 9) Usted es un ingeniero en una planta de generación eléctrica. Usted sabe que las llamas de la caldera alcanzan una temperatura de 1200 K y que hay disponible agua de enfriamiento de un río cercano a 300 K. ¿Cuál es la eficiencia máxima que puede alcanzar la planta? Respuesta: 75% 10) Como ingeniero del problema anterior, también sabe que el límite metalúrgico de temperatura para los álabes de la turbina es de 1000 K antes de que sufran deformación excesiva. Ahora, ¿Cuál es la eficiencia máxima para esta planta? Respuesta: 70% 11) Una máquina térmica opera entre una fuente a 500 ºC y un sumidero a 25 ºC. Si se suministra calor a la máquina térmica a una tasa constante de 1200 kJ/min, determine la producción máxima de potencia de esta máquina térmica. Respuesta: 12.8 kW 12) Se afirma que la eficiencia de una máquina térmica completamente reversible se puede duplicar duplicando la temperatura de la fuente de energía. Analice la validez de ésta afirmación.

13) Una planta eléctrica geotérmica usa agua geotérmica extraída a 160 ºC a una razón de 440 kg/s como fuente de calor y produce 22 MW de potencia neta. Determine a) la eficiencia térmica real; b) la eficiencia térmica máxima posible; c) la tasa real de rechazo de calor de esta planta. Respuesta: 8.8%; 31.2%; 229.1MW 14) Un refrigerador de Carnot opera en un cuarto en donde la temperatura es de 25ºC. El refrigerador consume 500W de potencia y tiene un COP de 4.5 Determine a) la tasa de remoción de calor del espacio refrigerado y b) la temperatura del espacio refrigerado. Respuesta: 135 kJ/min; -29.2 ºC 15) Calcule y grafique el COP de un refrigerador completamente reversible como función de la temperatura del sumidero hasta 500 K, con la temperatura de la fuente fijada en 250 K. 16) La etiqueta de “Guía Energética” de un refrigerador dice que el refrigerador consumirá electricidad con un costo de $74 por año con uso normal si el costo de la electricidad es de $0.07/kWh. Si la electricidad que consume el foco de iluminación es despreciable, y el refrigerador consume 300 W durante el tiempo que trabaja en el año, determine la fracción de tiempo durante la cual trabajará el refrigerador. Respuesta: 0.402 17) Una bomba de calor con un COP de 2.4 se usa para calentar una casa. Para funcionar la bomba consume 8 kW de potencia eléctrica. Si la casa pierde calor al exterior a una tasa promedio de 40000 kJ/h y la temperatura de la casa es de 3 ºC cuando enciende la bomba de calor, determine cuánto tardará la temperatura de la casa en elevarse hasta 22 ºC. Suponga que la casa está bien sellada y tome toda la masa en el interior de la casa como equivalente a 2000 kg de aire. Respuesta: 3373 s 18) Un fabricante de congeladores para helados afirma que su producto tiene un COP de 1.3 al congelar helados a 250 K cuando el ambiente circundante está a 300 K. ¿Esta afirmación es válida? Respuesta: Si, es posible 19) Una máquina térmica de Carnot recibe calor a 750 K y rechaza el calor de desecho al ambiente a 300 K. La potencia desarrollada por esta maquina se usa para actuar un refrigerador de Carnot que quita calor del espacio enfriado a -15 ºC a razón de 400 kJ/min y lo rechaza al mismo ambiente a 300 K. Determine: a) la tasa de suministro de calor a la máquina térmica y b) la tasa total de rechazo de calor al ambiente. Respuesta: 108.5 kJ/min; 508.5 kJ/min 20) Una bomba de calor suministra calor a una casa a razón de 140000 kJ/h cuando la casa se mantiene a 25 ºC. Durante un periodo de un mes, la bomba de calor opera durante 100 horas para transferir energía de una fuente térmica fuera de la casa hacia el interior. Considere una bomba de calor que recibe energía de dos fuentes diferentes exteriores de energía. En una aplicación la bomba de calor recibe energía del aire exterior a 0 ºC. En una segunda aplicación, la bomba recibe calor de un lago que tiene un temperatura de agua de 10 ºC. Si la electricidad cuesta $0.085/kWh, determine la cantidad máxima de dinero que se ahorra por usar agua del lago en vez del aire exterior como fuente de calor. Respuesta: $11.10