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Una máquina térmica con una eficiencia térmica de 40 por ciento rechaza 1 000 kJ/kg de calor. ¿Cuánto calor recibe? Respuesta: 1 667 kJ/kg 6-21 Una planta termoeléctrica con una generación de potencia de 150 MW consume carbón a razón de 60 toneladas/h. Si el poder calorífico del carbón es 30,000 kJ/kg, determine la eficiencia total de esta planta. Respuesta: 30.0 por ciento 6-22 Un motor de automóvil consume combustible a razón de 22 L/h y entrega a las ruedas una potencia de 55 kW. Si el combustible tiene un poder calorífico de 44,000 kJ/kg y una densidad de 0.8 g/cm3, determine la eficiencia del motor. Respuesta: 25.6 por ciento 6-23 Una planta eléctrica de carbón produce una potencia neta de 300 MW con una eficiencia térmica total de 32 por ciento. La relación real gravimétrica airecombustible en el horno se calcula que es 12 kg aire/kg de combustible. El poder calorífico del carbón es 28,000 kJ/kg. Determine a) la cantidad de carbón que se consume durante un periodo de 24 horas y b) la tasa de aire que fluye a través del horno. Respuestas: a) 2.89 X 106 kg; b) 402 kg/s Un refrigerador doméstico con un COP de 1.2 quita calor del espacio refr igerado a una tasa de 60 kJ/min. Determine a) la potencia eléctrica que consume el refrigerador y b) la tasa de transferencia de calor al aire de la cocina. Respuestas: a) 0.83 kW; b) 110 kJ/min Una bomba de calor comercial quita 10,000 Btu/h de la fuente de calor, rechaza 15,090 Btu/h al sumidero térmico y necesita 2 hp de potencia. ¿Cuál es el coeficiente de desempeño de la bomba de calor? Un refrigerador que se usa para enfriar alimentos en una tienda de abarrotes debe producir 25,000 kJ/h de efecto de enfriamiento, y tiene un coeficiente de desempeño de 1.60. ¿Cuántos kilowatts de potencia necesitará este refrigerador para operar? Respuesta: 4.34 kW Una máquina térmica opera entre dos depósitos de energía térmica a 1 260 R y 510 R. ¿Cuál es el trabajo máximo que el motor puede producir por unidad de calor que recibe el motor de la fuente? Desde una perspectiva de producción de trabajo, ¿qué es más valioso: ¿a) depósitos de energía térmica a 675 K y 325 K, o b) depósitos de energía tér mica a 625 K y 275 K? Una máquina térmica opera entre una fuente a 477 °C y un sumidero a 25 °C. Si se suministra calor a la máquina térmica a una tasa constante de 65 000 kJ/ min, determine la producción máxima de potencia de esta máquina térmica.

Una máquina térmica recibe calor de una fuente de calor a 1 200 °C, y tiene una eficiencia térmica de 40 por ciento. La máquina térmica realiza un trabajo máximo igual a 500 kJ. Determine el calor suministrado a la máquina térmica por la fuente de calor, el calor rechazado al sumidero térmico, y la temperatura del sumidero térmico. Una máquina térmica que opera en ciclo de Carnot tiene una producción medida de trabajo de 900 kJ, y un rechazo de calor de 150 kJ a un reservorio térmico a 27 °C. Determine el calor suministrado a la máquina térmica por la fuente de calor, en kJ, y la temperatura de la fuente de calor, en °C. Una máquina térmica opera en ciclo de Carnot, y tiene una eficiencia térmica de 75 por ciento. El calor de desecho de esta máquina se rechaza a un lago cercano, a 15 °C, a razón de 14 kW. Determine la salida de potencia del motor y la temperatura de la fuente, en °C. Respuestas: 42 kW, 879 °C. 6-85 Una planta eléctrica geotérmica usa agua geotérmica extraída a 150 °C a razón de 210 kg/s como fuente de calor, y produce 8 00 kW de potencia neta. El agua geotérmica de la planta contiene 90 °C. Si la temperatura del entorno es de 25 °C, determine a) la eficiencia térmica real, b) la eficiencia térmica máxima posible y c) la tasa real de rechazo de calor de esta planta eléctrica. Un sistema de acondicionamiento de aire se usa para mantener una casa a 70 °F cuando la temperatura exterior es de 100 °F. La casa gana calor a través de las paredes y las ventanas a razón de 800 Btu/min, y la tasa de generación de calor dentro de la casa por las personas, las luces y los aparatos domésticos es de 100 Btu/min. Determine la mínima entrada de potencia que se necesita para este sistema de acondicionamiento de aire. Respuesta: 1.20 hp Una bomba térmica opera en un ciclo de bomba térmica de Carnot con un COP de 8.7. Conserva un espacio a 26 °C consumiendo 4.25 kW de potencia. Determine la temperatura del depósito del cual se absorbe el calor y la carga de calentamiento que suministra la bomba térmica. Respuestas: 265 K, 37.0 kW Un refrigerador debe quitar calor del espacio enfriado a razón de 300 kJ/min para mantener su temperatura a 8 °C. Si el aire que rodea al refrigerador está a 25 °C, determine la entrada mínima de potencia que se necesita para este refrigerador. Respuesta: 0.623 kW Un refrigerador que opera en ciclo de Carnot invertido tiene una entrada medida de trabajo de 200 kW y un rechazo de calor de 2 000 kW a un depósito térmico a 27 °C. Determine la carga de enfriamiento suministrada al refrigerador, en kW, y la temperatura de la fuente de calor, en °C. Respuestas: 1 800 kW,  –3 °C.

Se usa un acondicionador de aire con refrigerante 134a como fluido de trabajo para mantener un cuarto a 23 °C rechazando el calor de desecho al aire exterior a 37 °C. El cuarto gana calor a través de las paredes y las ventanas a razón de 250 kJ/min, mientras que el calor generado por la computadora, la TV y las luces es de 900 W. El refrigerante entra al compresor a 400 kPa como vapor saturado a razón de 100 L/min y sale a 1.200 kPa y 70 °C. Determine a) el COP real, b) el COP máximo y c) el flujo volumétrico mínimo del refrigerante en la entrada del compresor para las mismas condiciones de entrada y salida del compresor. Respuestas: a) 3.45, b) 21.1, c) 16.3 L/min

Una bomba de calor de Carnot se usa para calentar una casa y mantenerla a 25 °C en invierno. Un día en que la temperatura exterior promedio permanece alrededor de 2 °C, se estima que la casa pierde calor a razón de 55,000 kJ/h. Si la bomba de calor consume 6.6 kW de potencia al operar, determine a) cuánto tiempo trabajó la bomba ese día; b) los costos totales de calentamiento, suponiendo un precio promedio de $0.085/kWh de electricidad, y c) el costo de calefacción para el mismo día si se usara un calentador eléctrico en vez de una bomba de calor. Respuestas: a) 4.29 h; b) $2.41; c) $31.20 La estructura de una casa es tal que pierde calor a razón de 3 800 kJ/h por °C de diferencia entre el interior y el exterior. Se usa una bomba de calor que necesita una entrada de potencia de 4 kW para mantener la casa a 24 °C. Determine la temperatura exterior más baja para la cual esta bomba puede satisfacer las necesidades de calefacción de esta casa. Respuesta: 13.3 °C Una bomba de calor crea un efecto de calefacción de 32 000 Btu/h para un espacio que se mantiene a 530 R, utilizando 1.8 kW de potencia eléctrica. ¿Cuál es la temperatura mínima de la fuente que satisfaga la segunda ley de la termodinámica? Respuesta: 428 R. Una bomba de calor con un COP de 2.8 se usa para calentar una casa her mética al aire. Cuando trabaja, la bomba de calor consume 5 kW de potencia. Si la temperatura de la casa es de 7 °C cuando se enciende la bomba de calor, ¿cuánto tarda ésta en elevar la temperatura de la casa a 22 °C? ¿Es esta respuesta realista u optimista? Explique. Suponga que toda la masa dentro de la casa (aire, muebles, etc.) es equivalente a 1.500 kg de aire. Respuesta: 19.2 mi Considere dos máquinas térmicas de Carnot operando en serie. La primera máquina recibe calor del depósito a 1.800 K y rechaza el calor de desecho a otro depósito a la temperatura T. La segunda máquina recibe esta energía rechazada por la primera, convierte algo de ella a trabajo y rechaza el resto a un depósito

a 300 K. Si las eficiencias térmicas de ambas máquinas son iguales, determine la temperatura T. Respuesta: 735 K

La etiqueta de una lavadora indica que la lavadora usará agua caliente por un valor de $85 por año si el agua se calienta por un calentador eléctrico con eficiencia de 90 por ciento, a una tarifa eléctrica de $0.09/kWh. Si el agua se calienta de 18 a 45 °C, la cantidad de agua caliente que usa una familia promedio por año es 11.6 toneladas b) 15.8 toneladas c) 27.1 toneladas d) 30.1 toneladas e) 33.5 toneladas

Una casa de 200 m2 y 2.4 m de altura se mantiene a 22 °C mediante un sistema de acondicionamiento de aire cuyo COP es 3.2. Se estima que los ventiladores de la cocina, el baño y otros ventiladores de la casa descargan todo el aire acondicionado de la casa una vez cada hora. Si la temperatura exterior promedio es 32 °C, la densidad del aire es 1.20 kg/ m3, y el costo unitario de electricidad es $0.10/kWh, la cantidad de dinero “arrojada al aire” por los ventiladores en 10 horas es $0.50 b) $1.60 c) $5.00 d) $11.00 e) $16.00

Las necesidades de agua potable de una oficina se cumplen enfriando agua de la llave en una fuente de agua refrigerada de 23 a 6 °C a un flujo promedio de 10 kg/h. Si el COP de este refrigerador es 3.1, el consumo de potencia necesaria para este refrigerador es 197 W b) 612 W c) 64 W d) 109 W e) 403 W

Una bomba de calor absorbe calor del exterior frío a 5 °C y suministra calor a una casa a 25 °C a razón de 18,000 kJ/h. Si la potencia consumida por la bomba de calor es 2.5 kW, su coeficiente de desempeño es 1.3 b) 2.6 c) 3.0 d) 3.8 e) 13.9

Un ciclo de máquina térmica se ejecuta con vapor de agua en el domo de saturación. La presión del vapor es 1 MPa durante la adición de calor, y 0.4 MPa durante el rechazo de calor. La eficiencia m ás alta posible de esta máquina térmica es 8.0% b) 15.6% c) 20.2% d) 79.8% e) 100%

Una máquina térmica recibe calor de una fuente a 1.000 °C y rechaza el calor de desecho a un sumidero a 50 °C. Si se suministra calor a esta máquina a razón de 100 kJ/s, la potencia máxima que puede producir esta máquina es 25.4 kW b) 55.4 kW c) 74.6 kW d) 95.0 kW e) 100 kW

Un ciclo de máquina térmica se ejecuta con R-134a bajo el domo de saturación entre los límites de presión de 1.4 y 0.16 MPa. El coeficiente máximo de desempeño de esta bomba de calor es 1.1 b) 3.8 c) 4.8 d) 5.3 e) 2.9 1.2 Un ciclo de refrigeración se ejecuta con R-134a bajo el domo de saturación entre los límites de presión de 1.6 y 0.2 MPa. Si el consumo de potencia del refrigerador es de 3 kW, la tasa máxima de remoción de calor del espacio enfriado de este refrigerador es 0.45 kJ/s b) 0.78 kJ/s c) 3.0 kJ/s d) 11.6 kJ/s e) 14.6 kJ/s 6-168

Una bomba de calor con un COP de 3.2 se usa para calentar una casa perfectamente sellada (sin fugas de aire). La masa total dentro de la casa (aire, muebles, etc.) es equivalente a 1.200 kg de aire. En operación, la bomba de calor consume potencia eléctrica a razón de 5 kW. La temperatura de la casa era de 7 °C cuando se puso a funcionar la bomba de calor. Si la transferencia a través de la envolvente de la casa (paredes, techo, etc.) es despreciable, el intervalo de tiempo durante el cual debe funcionar la bomba de calor para e levar la temperatura del contenido total de la casa a 22 °C es 13.5 min b) 43.1 min c) 138 min d) 18.8 min e) 808 min

Un ciclo de máquina térmica se ejecuta con vapor de agua en el domo de saturación entre los límites de presión de 7 y 2 MPa. Si se suministra calor a la máquina térmica a razón de 150 kJ/s, la potencia máxima desarrollada por esta máquina térmica es 8.1 kW b) 19.7 kW c) 38.6 kW d) 107 kW e) 130 kW 6-170

Un sistema de acondicionamiento de aire que opera en el ciclo inverso de Carnot debe quitar calor de la casa a razón de 32 kJ/s para mantener su temperatura constante a 20 °C. Si la temperatura exterior es de 35 °C, la potencia necesaria para operar este sistema de aire acondicionado es 0.58 kW b) 3.20 kW c) 1.56 kW d) 2.26 kW e) 1.64 kW

Un refrigerador quita calor de un medio frío a 3 °C a razón de 7.200 kJ/h, y rechaza el calor de desecho a un medio a 30 °C. Si el coeficiente de desempeño del refrigerador es 2, la potencia que consume el refrigerador es 0.1 kW b) 0.5 kW c) 1.0 kW d) 2.0 kW e) 5.0 kW 0.2 Dos máquinas térmicas de Carnot operan en serie de modo que el sumidero térmico de la primera máquina sirve como fuente de calor para la segunda. Si la temperatura de la fuente de la primera máquina es de 1.300 K y la temperatura del sumidero de la segunda máquina es de 300 K, y las eficiencia térmica de ambas máquinas son iguales, la temperatura del depósito intermedio es 625 K b) 800 K c) 860 K d) 453 K e) 758 K

Considere un refrigerador de Carnot y una bomba de calor de Carnot operando entre los mismos dos depósitos de energía térmica. Si el COP del refrigerador es 3.4, el COP de la bomba de calor es 1.7 b) 2.4 c) 3.4 d) 4.4 e) 5.0 Un refrigerador doméstico nuevo típico consume alrededor de 680 kWh de electricidad por año y tiene un coeficiente de desempeño de 1.4. La cantidad de calor que quita este refrigerador del espacio refrigerado por año es 952 MJ/año b) 1 749 MJ/año c) 2 448 MJ/año d) 3 427 MJ/año e) 4 048 MJ/año

Una máquina térmica completamente reversible opera con una fuente a 1 500 R y un sumidero térmico a 500 R. Si la entropía del sumidero aumenta en 10 Btu/R, ¿cuánto disminuirá la entropía de la fuente? ¿Cuánto calor, en Btu, se transfiere de esta fuente? Una fuente de energía de 1 000 K transfiere calor a una máquina térmica completamente reversible. Esta máquina transfiere calor a un sumidero a 300 K. ¿Cuánto calor se debe transferir de la fuente de energía para aumentar la entropía del sumidero de energía en 20 kJ/K? Una máquina térmica acepta 200 000 Btu de calor de una fuente a 1 500 R, y rechaza 100 000 Btu de calor a un sumidero térmico a 600 R. Calcule el cambio de entropía de todos los componentes de esta máquina y determine si es completamente reversible. ¿Cuánto trabajo total produce? Se transfiere calor, en la cantidad de 100 kJ, directamente de un depósito caliente a 1 200 K a un depósito frío a 600 K. Calcule el cambio de entropía de los dos depósitos y determine si se satisface el principio de incremento de entropía.

1.- Un coche de 1500 kg choca a 20 m/s con una pared de cemento.

a) S i la temperatura ambiente es de 20ºC, calcula la variación de entropía. b) S e calienta 1 kg de ag ua de 0ºC a 100ºC . C alcula la variación de entropía del ag ua. 2.- Dentro de un recipiente adiabático se coloca un litro de agua a 20ºC, en contacto con una fuente térmica cuya temperatura se mantiene constante a 20ºC. a) Calcular la variación de entropía del agua y de la fuente hasta que

ambos quedan en equilibrio. (calor específico del hielo = 0.5 cal/ºC·g; calor de fusión del hielo = 80 cal/g).

3.- Una mol de un gas ideal contenido en un pistón se expansiona hasta un volumen doble de la inicial, manteniéndose en contacto con una fuente térmica a 400 K . Calcular: a) La variación de entropía del gas . La temperatura de la superficie del Sol es de aproximadamente 5700 K y la de la superficie de la Tierra de 290 K. Calcular la vari ación de entropía del si s tema

 S ol-Tierr a que s e produce cuando s e trans fiere una energ ía de 1000 J en forma de radiación del s ol a la tierra. 0

2.-Se calientan 0,5 kg de hielo a 0ºC hasta que se funde por completo. a)

 ¿ C uál es el cambio de entropí a del hielo? b) S i el foco calorífico es una

mas a muy g rande a una temperatura de 20ºC , ¿ cuál es el cambio de entropía de es e cuerpo?  Dato: Calor de fusión del hielo: 80 cal/g. 3.- Un extremo de una varilla de cobre está en contacto con un foco calorífico a 450 K. El otro extremo está en contacto con un foco a 300 K. Una vez que el sistema ha alcanzado el estado estacionario se observa que en una hora se transfieren 2400 cal desde el extremo caliente al frío de la varilla. a) Hallar el

cambio de entropía de los focos y de la varilla. b) ¿ Cuánta entropía s e ha creado? c) Hallar la energ ía degradada en el proces o.