Termodinámica II – Departamento de Física – Facultad de Ciencias

Termodinámica II – Departamento de Física – Facultad de Ciencias Exactas - 2010
Guía de Trabajos Prácticos Nº4
Problema 1: Un experimentador dice haber aumentado a 150ºC la temperatura de una pequeña
cantidad de agua mediante la transferencia de calor de vapor a alta presión a 120ºC. ¿Es razonable
esta afirmación? ¿Por qué? No se emplea en el proceso ningún refrigerador ni ninguna bomba de
calor.
Problema 2: Al hornear papas en un horno, ¿el aire del horno se puede tratar como depósito de
energía térmica?¿Por qué?
Problema 3: Para el caso de la energía que genera un aparato de TV, ¿cuál sería un adecuado
depósito de energía térmica?
Problema 4: Una máquina térmica que tiene una eficiencia de 100% viola necesariamente: ¿a) la
primera Ley y/o b) la segunda Ley?
Problema 5: En ausencia de fricción y otras irreversibilidades, ¿una máquina térmica puede tener
una eficiencia del 100%? ¿Por qué?
Problema 6: Una central eléctrica de vapor recibe calor de un horno a una tasa de 280GJ/h. Cuando
el vapor pasa por los tubos y otros componentes, las pérdidas hacia el aire circundante desde el
vapor se estiman en unos 8 GJ/h. Si el calor de desecho se transfiere al agua de enfriamiento a una
tasa de 145 GJ/h, determine: a) la salida de potencia neta y b) la eficiencia térmica de la planta.
Problema 7: Un motor de automóvil consume combustible a razón de 28L/h y entrega a las ruedas
60kW de potencia. Si el combustible tiene un poder calorífico de 44 MJ/kg y una densidad de 0.8
g/cm3, determina la eficiencia del motor.
Problema 8: Una central de conversión de energía térmica oceánica opera a 86ºF en la superficie y
41ºF a 21000 pies. Alrededor de 13300 gpm de agua fría de mar son bombeados desde el océano
profundo mar través de una tubería de 40 pulgadas de diámetro para ser usados como sumidero de
calor. Si el agua de enfriamiento experimenta un aumento de temperatura de 6ºF y la eficiencia
térmica es de 2.5%, calcula la potencia generada. ρ agua de mar = 64 lbm/pie3. Resuelve en el SI.
Problema 9: Un acondicionador de aire remueve calor en régimen permanente desde un hogar a una
tasa de 750 kJ/min mientras consume potencia eléctrica a una tasa de 6kW. Determina: a) el COP y
b) la tasa de transferencia de calor hacia el aire exterior.
Problema 10: Un refrigerador doméstico funciona una cuarta parte del
tiempo y remueve calor de un compartimiento de alimentos a una tasa
promedio de 800 kJ/h. Si el COP del refrigerador es 2.2, determine la
potencia que consume el refrigerador cuando está en funcionamiento.
Problema 11: Una bomba de calor mantienen una casa a 23ºC constantes. La
casa pierde calor a una tasa de 60MJ/h mientras que la energía generada dentro
de la casa por personas, luces y equipos es de 4 MJ/h. Si el COP vale 2.5,
determina la potencia de entrada requerida.
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Problema 12: A los serpentines del evaporador colocados detrás de la
sección de un refrigerador doméstico entra refrigerante 134 a a 120kPa
con una calidad del 20% y sale a 120kPa y -20ºC. Si el compresor
consume 450W y el COP es 1.2, determina: a) el flujo másico del
refrigerante y b) la tasa de calor cedida al aire de la cocina.
Problema 13: Una máquina de Carnot opera entre una fuente a 1000 K y un sumidero a 300K. Si la
máquina térmica recibe calor a razón de 800kJ/min, determine a) la eficiencia térmica y b) su
potencia de salida.
Problema 14: Se descubre una fuente de energía geotérmica a 140ºC con una temperatura ambiente
de 20ºC, determina la eficiencia térmica máxima que pude tener una central de energía alternativa
allí construida.
Problema 15: Se requiere un sistema de aire acondicionado que opere en un ciclo inverso de Carnot
para transferir calor desde una casa razón de 750kJ/min y así mantener su temperatura a 24ºC. Si la
temperatura del aire exterior es de 35ºC, determina la potencia requerida.
Problema 16: Durante un experimento realizado en una habitación a 25ºC, un ayudante
de laboratorio mide que un refrigerador, el cual extrae 2kW de potencia, ha eliminado
30MJ de calor del espacio refrigerado, que se mantiene a -30ºC. El tiempo de operación
fue de 20 min. Analiza si las medidas son razonables.
Problema 17: En una poza solar se pretende utilizar alcohol como
fluido de trabajo. Si la temperatura del agua cerca de la superficie
es 35ºC y 80ºC cerca del fondo, determina la máxima eficiencia térmica de
esta central. Analiza si resulta real usar 35 y 80 ºC para los cálculos.
Problema 18:
a) ¿La integral cíclica del trabajo tiene que ser cero, es decir un sistema tiene que producir
tanto trabajo como consume para completar un ciclo?. Explica.
b) ¿Un ciclo para el que
viola la desigualdad de Clausius?¿Por qué?
c) La entropía de una papa cocida caliente disminuye conforme se enfría. ¿Es esta una
violación al principio de incremento de entropía? Explique.
Problema 19: Un recipiente rígido contiene gas ideal a 40ºC que se agita con una hélice que efectúa
200kJ de trabajo. La Temperatura del gas permanece constante a 30ºC debido a la transferencia de
calor entre el recipiente y sus alrededores. Determina el cambio de entropía del gas ideal.