ex julio 07 - EVA - Facultad de Ingeniería

Instituto de Física
Facultad de Ingeniería
Examen de Física Térmica y Termodinámica
1 de agosto de 2007
Explique con claridad su trabajo. No se tendrán en cuenta resultados que no estén adecuadamente
justificados (en particular debe indicar claramente los volúmenes de control utilizados). Para
aprobar se requiere como mínimo completar un problema bien y obtener el 50 % del puntaje total del
examen.
Problema 1 (1/3)
Considere el ciclo de la figura, en el que el fluido de trabajo es agua trabajando en
condiciones de RPFE. Consiste de una caldera, una turbina adiabática de eficiencia
isentrópica s  0,85 , un condensador y una bomba isotérmica, la cual no intercambia
calor con el entorno.
La bomba se encuentra refrigerada por un flujo de refrigerante que opera a T = -60 ºC y
pasa de líquido saturado a vapor saturado. El refrigerante sufre un proceso internamente
reversible. A su vez, en el sistema bomba más refrigerante existe una irreversibilidad
total de 75 kW.
A la salida del condensador el agua es líquido saturado a T = 25 ºC.
A la entrada de la turbina P = 5 Mpa y T = 300 ºC.
El intercambio de calor en la caldera y el evaporador es únicamente con las fuentes a TH
y TL respectivamente.
m agua  3 kg s
Tentorno  20 C
TH  500 C
TL  0 C
a) Hallar la diferencia de entalpía (ΔH) por unidad de tiempo del refrigerante entre
la entrada y la salida.
b) Hallar la irreversibilidad por unidad de tiempo entre la entrada a la caldera y la
salida de la turbina.
c) Hallar el trabajo reversible por unidad de tiempo del ciclo.
Problema 2 (1/3)
Se considera el ciclo de la figura que trabaja en RPFE, en el cual un compresor
reversible adiabático toma aire del ambiente que se encuentra a 100 kPa y 15 ºC,
precalentándolo en un intercambiador adiabático. El ciclo contiene además un
calentador y una turbina adiabática. El aire sale del calentador a 1300 K y 640 kPa, y
sale de la turbina con una temperatura de 870 K y una presión de 100 kPa.
Para un cierto intervalo de tiempo, el sistema toma 60,0 g de aire y la fuente cede 43,3
kJ de calor al calentador.
Hallar:
a- La temperatura de entrada al compresor
b- La masa que sale del calentador y luego pasa por el intercambiador, sabiendo que la
entropía generada en el intercambiador vale 7,45x10-3 kJ/K
c- La entropía generada en la válvula
d- La irreversibilidad del proceso
Datos:
R = 0,287 kJ/kgK
cp = 1,0045 kJ/kgK
T fuente = 1500 K
Problema 3 (1/3)
Un kg de cierta sustancia pura, compresible y simple realiza un proceso internamente
reversible en el cual la presión varía linealmente con el volumen, desde un estado inicial
P1 = 200 kPa y v1 = 0,05 m3/kg, hasta un estado final P2 = 100 kPa y v2 = 0,2 m3/kg.
Se sabe que:
cv*beta/alfa = A*P, con A = 0,2 m3/(kg*kPa)
cP/(alfa*v) = B*v, con B = 4x105 kg*kPa/m3
en la isócora v = 0,05 m3/kg
en la isóbara P = 100 kPa
a) Calcule el calor intercambiado por la sustancia en el proceso.
b) Se sabe además que:
cv/T = C*alfa/beta, con C = 0,02 m3/(kg*K)
en la isócora v = 0,05 m3/kg
cP/T = D*alfa*v, con D = 100 kPa/K
en la isóbara P = 100 kPa
Si durante el proceso la sustancia sólo intercambia calor con una fuente cuya
temperatura es 400 K, calcule la irreversibilidad del proceso si el ambiente está a 290 K.
Formulario

 P

v 
du = cVdT +  T
dh = cPdT +  v  T
 P  dv
 dP
T P 

 T v

c
c
P
v
1  v 
1  v 
ds = V dT +
dv = P dT dP         
T
T
T P
v  T P
v  P T
T v
TABLAS:
H2o Saturada
T (°C) P (Mpa) vf (m3/kg) vg (m3/kg) uf (kJ/kg) ug (kJ/kg) hf (kJ/kg) hfg (kJ/kg) hg (kJ/kg) sf (kJ/kg K) sfg (kJ/kg K) sg (kJ/kg K)
25
100
263,99
0,003169 0,001003
0,1013 0,001044
5,00 0,001286
43,36
1,673
0,03944
104,9
418,9
1147,78
2409,8
2506,5
2597,1
104,9
419
1154,1
2442,3
2257
1640,1
2547,2
2676
2794,3
0,3672
1,3071
2,9201
8,1916
6,0486
3,0532
8,5588
7,3557
5,9733