Practica 01 - Termodinamica 02-2013

UNIVERSIDAD PRIVADA DEL VALLE GESTIÓN II-2013 GRUPO A

TERMODINÁMICA II CAPÍTULO 1 - SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA PRÁCTICA – 1 DE 5

1) Se transfiere calor a una maquina térmica desde un horno a una relación de 80 MW, si la relación de liberación de calor de desecho a un rio es de 50 MW, determinar: a. Salida de la potencia neta b. Eficiencia térmica Resp: WNETO = 30 MW; TER = 37.5% 2) Un motor de un automóvil con una salida de potencia de 65 HP tiene una eficiencia térmica de 24%. Determine la relación de consumo de combustible de este automóvil si el combustible tiene un valor calorífico de 19000 BTU/lbm, es decir 19000 BTU de energía se liberan por cada libra de combustible quemado. Resp: R= m = 36.27 lbm/h 3) El compartimiento de un refrigerador se mantiene a 4 °C al extraer calor de este a una tasa de 360 kJ/min, si la entrada de la potencia requerida aire refrigerado es de 2 kW, determine a. El COPR. b. La taza de rechazo del calor hacia la habitación que aloja al refrigerador. COPR = 3; QH = 480 kJ/min Resp: CO 4) Una bomba de calor satisface los requerimientos de calefacción de una casa y la mantiene a 20°C, se estima que la casa pierde calor a una taza de 80000 kJ/H en un día en que la temperatura exterior desciende a 2°C, si la bomba tiene un COP de 2.5, determinar: a. La potencia consumida por la bomba de calor. b. La taza a la que se extrae el calor del aire frio de exterior.

80000 KJ/h

TH = 20 °C

COP = 2.5

B

TL = -2 °C Resp: WNETO = 32000 kJ/h; QL = 48000 kJ/h

5) Una máquina térmica de Carnot, recibe 500 kJ de calor por ciclo desde una fuente de alta temperatura a 30 °C, determine: a. El rendimiento térmico de la máquina de Carnot. b. La cantidad de calor rechazada al sumidero.

TH = 652 °C QH = 500 KJ M

WNETO

QL TL = 30 °C

Resp: TER = 67.2%; QL = 163.83 kJ 1



6) Un inventor afirma haber fabricado un refrigerador que mantiene el espacio refrigerado a 35 °F mientras opera en un espacio donde la temperatura es de 75 °F además de tener un COP DE 13.5 ¿Es razonable esta afirmación? 7) Se utilizara una bomba de calor para calendar una casa durante el invierno, la casa se mantiene a 21 °C todo el tiempo y se estima que pierde calor a una tasa de 13500 kJ/h cuando la temperatura exterior desciende a -5 °C, Determine la potencia mínima requerida para impulsar esta bomba de calor en Kilowatts.

TH = 21°C

13500 KJ/h

Q H

WENTRADA

B QL

Resp: WENTRADA = 0.33 kW

TL = - 5 °C 8) En una termoeléctrica se agrega 1 MW a 700 °C en la caldera, se extraen a una temperatura de 40 °C en el condensador y el trabajo de la bomba es de 0.02 MW. Determine la eficiencia térmica de la planta, si se supone que se suministra la misma cantidad de trabajo en la bomba y se conoce la transferencia de calor a la caldera ¿Cuánta energía podrá producir la turbina si la planta funcionara en un ciclo de Carnot?

QH = 1 MW TH = 700 °C CALDERA

WBOMBA= 0.02 MW

WSALIDA= ¿? BOMBA

TURBINA

CONDENSADOR

TL = 40 °C Resp: WSALIDA = 0.658 MW 9) Un congelador doméstico funciona en un cuarto a 20 °C para mantener su temperatura en – 30 °C se debe transferir calor desde el espacio frio a razón de 2 kW ¿Cual es teóricamente, el motor más pequeño que se requiere para hacer funcionar el congelador? Resp: WMINIMA = 0.411 Kw 10) Un inventor ha creado una unidad de refrigeración que mantiene el espacio frio a –10 °C mientras funciona en una habitación a 25 °C, se pretende que el COP sea 8.5 ¿Como seria la máquina para que no viole ninguna ley? 11) Una casa se calienta mediante una bomba de calor accionada por un motor eléctrico que utiliza la temperatura exterior como fuente de baja temperatura ósea QPERDIDA = K (TH – TL). Determine la potencia eléctrica mínima para accionar la bomba de calor en función de las dos temperaturas. Resp: WBOMBA = (K/TH)(TH – TL)2

2



12) Una casa se enfría mediante una bomba de calor eléctrica utilizando el exterior como fuente de temperatura alta, estime el porcentaje de ahorro en electricidad para diferentes temperaturas exteriores en verano, si la casa se mantiene a 25 °C en lugar de hacerlo a 20 °C. (Suponga que la casa gana energía del exterior en forma directamente proporcional a la diferencia de temperatura). Calcular el ahorro para las temperaturas siguientes 40 °C, 45 °C y 47 °C. %     100 % 

100% 

Resp: AET1=94.97%, AET2=93.29%, AET3=92.62%

13) Se desea refrigerar a – 30 °C, se dispone de una fuente a 200° C que se muestra en la figura y la temperatura ambiente es de 30 °C, así se puede realizar trabajo mediante una maquina térmica cíclica que funciona entre la fuente a 200 °C y el ambiente. Este trabajo se utiliza para hacer funcionar el refrigerador, determine la relación de transferencia de calor desde el depósito de 200 °C y el calor que se transfiere desde la fuente a -30 °C suponiendo que todos los procesos son reversibles.

TH = 652 °C QH MTCICLICA

Q AMB1 T AMB = 30 °C

TH = 30 °C Q AMB2 R QL T AMB = -30°C Resp: QH/QL = 0.687

14) Considere una maquina térmica conocida con ciclo de Carnot que funciona en el espacio exterior, solamente se puede rechazar calor desde esta máquina por radiación térmica, que es proporcional al área del radiador y a la cuarta potencia de la temperatura absoluta QRAD ⇝ KAT4. Demostrar que para cierto trabajo producido por la máquina y un calor dado en T H el área del radiador mínima será la relación TL/TH = ¾. 15) Una bomba de calor calienta una casa en el invierno y después se invierte para enfriarla en el verano, la temperatura interior debe ser de 20 °C en el invierno y de 25 °C en el verano. Se estima que la transferencia de calor a través de las paredes y los techos es de 2400 KJ por hora grado absoluto de diferencia de temperatura entre el interior y el exterior. a. Si la temperatura exterior en el invierno es de 0 °C ¿Cuál es la potencia mínima que se requiere para impulsar la bomba de calor (en kW)? b. Para la misma potencia del inciso a. ¿Cuál es la temperatura exterior máxima en el verano para la cual la casa se puede mantener a 25 °C? Resp: WBOMBA = 0.91 kW, TL= 45.16 °C 16) En una máquina térmica se pueden utilizar dos combustibles diferentes, la máquina funciona entre la temperatura de combustión del combustible en una temperatura baja de 350 K; el combustible A se quema a 2500 K, suministra 52000 kJ/kg y cuesta 1.75 $/kg; el combustible B se quema a 1700 K y suministra 40000 kJ/kg y cuesta 1.5 $/kg ¿Qué combustible compraría y porque? 17) Un refrigerante R-12 a 95 °C con X=0.1 fluye a 2 kg/s y se transforma en vapor saturado en un intercambiador de calor a presión constante, la energía se suministra mediante una bomba de calor con temperatura de baja de 10 °C. Determine la potencia que se requiere suministrar a la bomba de calor. INT. DE

TH = 95 °C R12 CONDICIÓN DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR RPFE

Q

        WBOMBA

BC QL TL = 10 °C

Resp: WBOMBA = 29.80 kW 3



18) Un horno que se muestra en la figura puede suministrar calor Q H a TH y se propone utilizar este calor para impulsar una maquina térmica con un rechazo a T ATM en lugar de emplearlo para calentar directamente los cuartos. La maquina térmica acciona una bomba de calor que suministra QH2 A T AMB y que utiliza la atmosfera como fuente fría. Determine la relación QH2/QH1 en función de las temperaturas ¿Es este un sistema mejor que utilizar el horno para calentar directamente los cuartos? TAMB

TH1

Q H2

Q H1 wNETO BC

MC

Q L2

Q L1 TATM

TATM

Resp: QH2/QH1 = (T AMB(TH1 – T ATM))/(TH1(T AMB – T ATM)) 19) Una maquina térmica ideal trabaja en un ciclo de Carnot entre 227 °C y 127 °C absorbe 6 x 10 4 cal a la temperatura mayor ¿Cuánto trabajo por ciclo puede efectuar esta máquina? Resp: WNETO = 5.02 x 104 Joules 20) Una maquina térmica de Carnot trabaja entre un deposito caliente a 320 K y un deposito a 260 K; si se absorbe 0.5 kJ calor en el depósito caliente, ¿Qué cantidad de trabajo rinde?; suponiendo que la misma máquina trabaja de manera inversa como un refrigerador entre los mismos depósitos ¿Qué cantidad de trabajo debe aplicarse para extraerse 1 KJ de calor especifico frio? Resp: WMT = 93.75 Joules; WREFRIGERADOR = 230.77 Joules 21) En una maquina térmica de dos etapas se absorbe una cantidad de calor Q1 a una temperatura T1 realizando un trabajo W1, y se emite una cantidad de calor Q2 a una temperatura inferior T2 en la primera etapa. La segunda etapa absorbe el calor despedido con la primera, hace un trabajo W2 y emite una cantidad de calor Q3 a una temperatura inferior T3. a. Elabora el grafico que represente la maquina térmica combinada b. Halle la eficiencia de la maquina térmica combinada Resp: COMBINADA =(T1 – T3)/ T1 22) Una turbina combinada de mercurio y vapor de agua toma vapor de mercurio saturado de una caldera a 468.6 °C, la turbina de vapor recibe vapor a esa temperatura y lo expulsa a un condensador a 37.8 °C ¿Cuál es la máxima eficiencia de la combinación? Resp: TER = 58 % 23) En un ciclo de Carnot la dilatación isotérmica del gas ocurre a 400 K y la compresión isotérmica a 300 K. Durante la dilatación de 500 cal de energía calorífica son proporcionadas al gas, determine: a. El trabajo efectuado por el gas durante la dilatación isotérmica b. El calor extraído del gas durante la compresión isotérmica c. El trabajo hecho sobre el gas durante la compresión isotérmica Resp: WDI = 2.090 joules, QEXT = 1.569 joules, WCI = 1.570 joules, 24) Qué cantidad de trabajo requiere realizar un refrigerador que opera con ciclo inverso de Carnot para que pueda transmitir 1 Joule de calor de un deposito frio a uno caliente si los depósitos valieran: a. De 7°C a 27°C b. De – 73°C a 27°C c. De – 173°C a 27°C d. De – 223°C a 27°C Resp: W A = 0.0713 joules, WB = 0.5 joules, WC = 2 joules, WD = 5 joules BIBLIOGRAFIA:   

Termodinámica 100 Ejercicios y problemas resueltos, Hubert Lumbroso, versión castellano, Editorial Reverte S.A., España 2005 Fundamentos de termodinámica técnica, 2da edición, Michael J. Moran – Howard N. Shapiro, versión castellano, Editorial Reverte S.A., España 2004 Fundamentos de termodinámica, Van Wylen, versión castellano, Editorial Limusa México 2003

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