GUIA N°2; 1era. y 2da. Ley

GUIA Nº 2 DE TERMODINAMICA PREGUNTA Nº 1.- Una turbina adiabática trabaja con 2 kg/s de vapor que ingresan por un ducto de 0,16 m de diámetro con h 1 = 2800 kJ/kg y ν1 = 0,10 m³/kg . En la salida h 2 = 2180 kJ/kg y ν2 = 2,8 m³/kg. Desprecie la variación de energía potencial.

a) Determine el diámetro del ducto de salida para p ara que la variación de energía cinética sea cero.  b) ¿Cuál es la potencia desarrollada?

PREGUNTA Nº 2.- En el ciclo del motor Otto de cuatro tiempos, que gira a 800 rpm, se pide determinar el: a) Flujo de calor transferido en el proceso 2 –  3  3  b) Flujo de calor neto. c) Potencia neta d) Rendimiento del ciclo. e) Trabajo y calor del ciclo.

Proceso

1- 2 2 -3 3 -4 4 -1

W (J)

120 0 - 350 0

Q (J)

0 ¿? - 70 - 280

PREGUNTA Nº 3. - Un kilogramo de aire a 20 °C encerrado en un sistema cilindro-pistón recibe calor, experimentando un aumento a 110 ºC en su su temperatura y una variación de 0,09 m³/kg en volumen específico. Debido a que el pistón se desplaza libremente, el proceso ocurre a presión constante de 0,3 MPa. Determine la variación de energía interna del sistema. adiabática a razón de 2736 kg/h. En la entrada, su PREGUNTA Nº 4.- Una sustancia fluye por una turbina adiabática  presión es de 1,1 Mpa manométrica, su volumen 0,197 m³/kg y su energía interna 2714 kJ/ kg. En la salida su  presión es de 5608 Pa manométrica, su volumen es de 20,5 m³/kg y su energía interna 1990 kJ/kg.

a) Si el diámetro de la entrada es 0,07 m ¿Cuál es la velocidad en ese punto?  b) ¿Cuál debe ser el diámetro de salida para que la variación de energía cinética sea cero? c) Determine la potencia suministrada. PREGUNTA Nº 5.- Un compresor, refrigerado por agua, comprime 60 l/s de aire, cuyo volumen específico a la entrada es de 0,4 m³/kg. La entalpía del aire varía entre135 y 428 kJ/kg. El caudal de agua de refrigeración es de 100 cm³/s y su temperatura varía 20 K. Calcule  la potencia que debe suministrarse al compresor. PREGUNTA Nº 6.- Una turbina trabaja con 20 kg/min de vapor que ingresan por un ducto de 0,18 m de diámetro con h1 = 2800 kJ/k g y ρ1 = 10 kg/m³. En la salida h2 = 2180 kJ/kg y ρ2 = 0,357 kg/m³. La  pérdida de calor es de 60 kJ/kg. Desprecie la variación de energía potencial.

a).- Determine el diámetro del ducto de salida para que la variación de energía cinética sea cero.  b).- ¿Cuál es la potencia desarrollada en kW? PREGUNTA Nº 7.- Agua que circula por un serpentín a razón de 1 lt/min se utiliza para enfriar 20 Kg de aire que se encuentra en un depósito aislado (adiabático), inicialmente el aire tiene una temperatura de 50 ºC, el agua varía su temperatura de 10 ºC a 20ºC. Al cabo de diez minutos determinar: a).- La temperatura final del aire.  b).- La variación de entropía del universo.

PREGUNTA Nº 8.- Dos kilogramos de aire se calientan a un presión de 0,2 MPa, desde 20 ºC hasta 250 ºC, con un calefactor que está a 280 ºC. La temperatura del medio ambiente es de 25 ºC. Determine: a).- Calor suministrado  b).- Irreversibilidad en la transferencia de calor  c).- Exergía del calor  d).- Rendimiento de Carnot. e).- Trabajo neto que se obtendría si se utilizara Carnot. f).- Analice resultados. PREGUNTA Nº 9.- Demuestre, con un ejemplo ideado por usted, como un motor ideal de Carnot que trabaja conectado a un refrigerador produce un efecto neto sobre el ambiente. PREGUNTA Nº 10.- Los estados de un ciclo termodinámico para 2,5 kg de aire son los siguientes:

Estado

1 2 3

TK

P Mpa

v m³/kg

300 300 630

0,1 0,2 0,2

0,48 0,24 0,48

Si W 1-2 = 58 kJ a). Grafique

en diagrama T/V y P/T el ciclo.  b).- Determine el rendimiento real e ideal del ciclo c). Analice los resultados PREGUNTA Nº 11.- Un inventor afirma haber construido un motor que trabaja entre 800 ºC y 20 ºC el cual consume 2 kg/hora de bencina (P.C. = 10000 kcal/kg) y produce una potencia de 17 kW. Discuta la validez de esta afirmación. PREGUNTA Nº 12.- Para calefaccionar una casa manteniendo su temperatura interior de 294 K es necesario suministrarle calor a razón de 4,67 kJ/s. Con este objeto se utiliza una máquina frigorífica de Carnot, que extrae calor desde el exterior, cuya temperatura es de 273 K. determine la potencia eléctrica requerida por la máquina. PREGUNTA Nº 13.- Dos kilogramos de aire se calientan a una presión de 0,25 MPa, desde 25 ºC hasta 270 ºC, con un calefactor que está a 320 ºC. La temperatura del medio ambiente es de 20 ºC. Determine: a).- Calor suministrado  b).- Irreversibilidad en la transferencia de calor c).- Exergía del calor d).- Rendimiento de Carnot. e).- Trabajo neto que se obtendría si se utilizara Carnot. f).- Analice resultados.

FORMULARIO DE TERMODINAMICA I 1.- ENERGI A, TRABAJO Y CAL OR:

Energías almacenadas: K = (m •V²)/2

P = m• g •z

Energías de transferencia: Trabajo: W =  ∫ F• dx W = -  ∫ p•dv Calor: c = dQ / (m•dT)

E = K + P+ U

ΔE = ΔK + ΔP + ΔU

W NETO = Σ W procesos

Wflujo = p•V

Q = m•c•Δt

2.- PRIMERA Y SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAM ICA

Primera ley: Sistemas cerrados: Q + W = ΔU Ciclos Termodinámicos: Qciclo = Wciclo Rendimiento del ciclo :η = (W neto/ Q absorbido)•100% Potencia : P = | Wneto | • (Nº ciclos/ s) Eficiencia: ξ = Qabsorbido/ Wneto

Sistemas abiertos: Entalpía : h = u + p•V Balance de energía: Q + W = ΔK + ΔP + ΔH Flujo másico: m = ρ• A•Velocidad (Ecuación de continuidad m1 = m2) Trabajo: W =  ∫ v•dp Segunda ley: η Carnot = (W máximo/ Q absorbido)•100% = {(T1- T2)/ T1}100% Entropía: dS = (dQ/T) ΔSuniverso = ΔSsistema + ΔSambiente Irreversibilidad: I = T0* ΔSuniverso Exergia: B = QA - T0* ΔSsistema