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Exerg´ ıa 1. ¿C´omo omo se diferencia el trabajo ´util util del trabajo real? ¿En qu´e tipo tip o de sistemas sist emas son id´enticos? enti cos? 2. Considere Considere un proceso sin irrever irreversibili sibilidades dades.. ¿El trabajo u util ´til real de este proceso ser´a igual al trabajo reversible? 3. ¿Una planta planta de generaci´ generaci´ on on el´ectrica ectrica que tiene una eficiencia cien cia t´ermica ermi ca m´as as alta, tiene necesariamente una eficiencia seg´ un un la segunda ley tambi´en en m´ as as alta que una planta con una eficiencia t´ermica ermica menor? Explique. 4. Un refrigerado refrigeradorr que tiene un COP m´as as alto tiene necesariamente una m´ as as alta eficiencia seg´ un un la segunda ley que uno con un COP m´as as bajo? Explique. 5. ¿Puede ¿Puede un sistema tener una eficiencia eficiencia seg´un un la segunda ley m´as as alta que la eficiencia seg´ un un la primera ley durante un proceso? proces o? D´e ejemplos. ej emplos. 6. Una turbina de viento viento con un rotor de 12 m de di´ ametro, ametro, ser´a instalada en un sitio donde el viento sopla constantemente a una velocidad promedio de 10 m/s. Determine la potencia m´axima axima que puede generar la turbina de viento.
12. Una m´aquina aquina t´ ermica ermica que rechaza calor de desecho a un sumidero a 530 R tiene una eficiencia t´ermica ermica de 36 por ciento y una eficiencia seg´un un la segunda ley de 60 por ciento. Determine la temperatura de la fuente que suministra calor a esta m´aquina. aquina. 13. Una casa que pierde calor a raz´on on de 50 000 kJ/h cuando la temperatura exterior cae a 4 C se va a calentar por calefactores de resistencia el´ectrica. ectrica. Si la casa se ha de mantener a 25 C todo el tiempo, determine la entrada entrada de trabajo reversible para este proceso y la irreversibilidad. 14. Un congelador se mantiene a 20 F quit´andole andole calor a raz´on on de 75 Btu/min. La potencia consumida por el congelador es de 0,70 hp, y el aire del entorno est´a a 75 F. Determine a) la potencia reversible, b) la irreversibilidad y c) la eficiencia seg´un un la segunda ley de este congelador. 15. Una masa de 8 kg de helio sufre un proceso desde un estado inicial de 3 m3 /kg y 15 C hasta un estado final de 0,5 m3 /kg y 80 C. Suponiendo Suponiendo que el entorno est´ aa 25 C y 100 kPa, determine determine el aumento aumento en el potencial potencial de trabajo util u ´ til del helio durante este proceso.
7. Se tiene un horno grande que puede transferir calor a una temperatura de 2 000 R a una tasa estacionaria de 3 000 Btu/s. Determine Determine la tasa de flujo de exerg´ exerg´ıa asociada con esta transferencia de calor. Suponga una temperatura ambiente de 77 F.
16. Se expande aire en un sistema adiab´atico atico cerrado, de 150 psia y 100 F a 15 psia con una eficiencia eficiencia isentr´ isentr´opiopica de expansi´on on de 95 por ciento. ¿Cu´al al es la eficiencia seg´ un la segunda ley de esta expansi´on? un on? Tome T0 = 77 F y P0 = 14,7 psia.
8. Una m´aquina aquina t´ermica ermica recibe recib e calor de una fuente a 1 200 K a una tasa de 500 kJ/s y rechaza calor de desecho a un medio a 300 K. La salida de potencia de la m´aquina aquina t´ ermica ermica es 180 kW. Determine la potencia reversible y la tasa de irreversibilidad para este proceso.
17. ¿Cu´al al es un recurso m´as as valioso para producci´on on de tra3 bajo en un sistema cerrado, 15 pies de aire a 100 psia y 250 F o 20 pies 3 de helio a 60 psia y 200 F? Tome T0 = 77 F y P0 = 14,7 psia.
9. Las necesidades de electricidad de una comunidad se deben satisfacer con molinos de viento con rotores de 20 m de di´ametro. ametro. Los molinos de viento se van a colocar donde el viento sopla establemente a una velocidad promedio de 6 m/s. Determine el n´umero ume ro m´ınimo ıni mo de molinos de viento que se necesitan instalar si la producci´ on necesaria de potencia es 900 kW. on 10. Considere un dep´osito osito de energ´ energ´ıa t´ ermica ermica a 1 500 K que puede suministrar calor a raz´on on de 150 000 kJ/h. Determine Determin e la exerg´ıa ıa de esta energ´ıa ıa suministrada, suminis trada, suponiendo una temperatura ambiente de 25 C. 11. Una m´aquina aquina t´ermica ermica recibe recib e calor de una fuente a 1.100 K a raz´on on de 400 kJ/s, y rechaza calor de desecho a un ambiente a 320 K. La producci´on on medida de potencia de la m´aquina aquina t´ermica ermica es de 120 kW, y la temperatura ambiente es 25 C. Determine Determine a) la potencia reversible reversible,, b) la tasa de irreversibilidad y c) la eficiencia seg´un un la segunda ley de esta m´aqui aq uina na t´ermica erm ica
18. ¿Cu´al al tiene la capacidad mayor para producir trabajo en un sistema cerrado, 1 kg de vapor de agua a 800 kPa y 180 C o 1 kg de R-134a a 800 kPa y 180 C? Tome T0 = 25 C y P0 = 100 kPa.
19. Un dispositivo disp ositivo de cilindro-´ embolo embolo contiene inicialmente 2 L de aire a 100 kPa y 25 C. El aire se comprime comprime ahora a un estado final de 600 kPa y 150 C. La entrada de trabajo util u ´ til es 1,2 kJ. Suponiendo que el entorno est´a a 100 kPa y 25 C, determine a) la exerg´ exerg´ıa del aire en los estados inicial y final; b) el trabajo m´ınimo que se debe deb e suministrar para llevar a cabo el proceso de compresi´on, on, y c) la eficiencia seg´un un la segunda ley de este proceso.
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20. Se comprime gas ox´ıgeno en un dispositivo de cilindro´embolo, de un estado inicial de 12 pies3 /lbm y 75 F a un estado final de 1,5 pies 3 /lbm y 525 F. Determine la entrada de trabajo reversible y el aumento en la exerg´ıa del ox´ıgeno durante este proceso. Suponga que el entorno est´a a 14,7 psia y 75 F. 21. Un recipiente r´ıgido aislado de 1,2 m3 contiene 2,13 kg de bi´oxido de carbono a 100 kPa. Ahora se realiza sobre el sistema trabajo de rueda de paletas hasta que la presi´on en el recipiente sube a 120 kPa. Determine a) el trabajo real de rueda de paletas realizado durante este proceso y b) el trabajo m´ınimo de rueda de paletas con el cual se puede realizar este proceso (entre los dos mismos estados inicial y final). Tome T0 = 298 K.
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determine a) la tasa de transferencia t´ermica de las bolas al aire y b) la tasa de destrucci´on de exerg´ıa debida a p´erdida de calor de las bolas al aire. 26. Un dispositivo de cilindro-´ embolo contiene inicialmente 0,75 kg de refrigerante 134a a 120 kPa y 20 C. Ahora se transfiere calor de 150 C desde una fuente al refrigerante, y el ´embolo, que descansa en un conjunto de topes, se comienza a mover cuando la presi´on interior llega a 140 kPa. La transferencia de calor contin´ua hasta que la temperatura llega a 90 C. Suponiendo que el entorno est´a a 25 C y 100 kPa, determine a) el traba jo realizado, b) la transferencia de calor, c) la exerg´ıa destruida y d) la eficiencia seg´un la segunda ley de este proceso.
22. Un dispositivo aislado de cilindro-´ embolo contiene inicialmente 20 L de aire a 140 kPa y 27 C. Ahora se calienta aire durante 10 minutos mediante un calentador de resistencia de 100 W colocado dentro del cilindro. La presi´on del aire se mantiene constante durante este proceso, y el entorno est´a a 27 C y 100 kPa. Determine la exerg´ıa destruida durante este proceso. 23. Un recipiente r´ıgido aislado est´a dividido en dos partes iguales por una mampara. Inicialmente, una parte contiene 3 kg de gas arg´on a 300 kPa y 70 C, y el otro lado est´ a al vac´ıo. Ahora se quita la mampara y el gas llena todo el recipiente. Suponiendo que el entorno est´a a 25 C, determine la exerg´ıa destruida durante este proceso. 24. Un dispositivo aislado de cilindro-´ embolo contiene inicialmente 20 L de aire a 140 kPa y 27 C. Ahora se calienta aire durante 10 minutos mediante un calentador de resistencia de 100 W colocado dentro del cilindro. La presi´on del aire se mantiene constante durante este proceso, y el entorno est´a a 27 C y 100 kPa. Determine la exerg´ıa destruida durante este proceso. 25. Se recuecen bolas de acero al carbono ( ρ = 7,833 kg/m3 y cp = 0,465 kJ/kg. C) de 8 mm de di´ametro, calent´andolas primero a 900 C en un horno y luego dej´ andolas enfriar lentamente hasta 100 C al aire ambiente a 35 C. Si se van a recocer 1,200 bolas por hora,
27. Un recipiente de 0.04 m3 contiene inicialmente aire a condiciones ambientes de 100 kPa y 22 C. Ahora se coloca dentro del recipiente otro recipiente de 15 litros que contiene agua l´ıquida a 85 C, sin que escape aire. Despu´ es de algo de transferencia de calor del agua al aire y al entorno, se mide la temperatura tanto del aire como del agua y se ve que es de 44 C. Determine a) la cantidad de p´ erdida de calor al entorno y b) la destrucci´ on de exerg´ıa durante este proceso.
