Lista de Ejercicios Final

UNIVERSIDAD PRIVADA SAN PEDRO INGENIERIA MECANICA – ELECTRICA LISTA DE EJERCICIOS TERMODINAMICA I

Docente: Mg. Roberto Chucuya 1.- Un cilindro aislado esta cubierto por un piston pesado que se sostiene en su sitio por una fijacion. El cilindro contiene 0.52 kg de agua a 300 kPa y 150 OC (estado 1). Se suelta la fijacion y el piston cae hasta que la presion alcanza 500 kPa y se detiene (estado 2). En ese momento se quita el aislamiento y el sistema se pone en contacto con un baño a 150 OC, permitiendose que se igualen las temperaturas (estado 3) a) Encontrar la temperatura y la presion en el estado 2 b) En contrar la temperatura y la presion en el estado 3 c) Determinar el calor intercambiado en el proceso completo.

2.- En la parte inferior de un cilindro hay contenidos 0.4 m3 de vapor a 0.2 MPa y 150 OC, bajo un piston pesado y sin friccion. El volumen por encima del piston es de 0.1 m3 y esta vacio. El cilindro se mantiene a 150 OC gracias a un baño termostatico. En cierto momento se hace una perforacion en el pisto y el vapor fluye lentamente hacia la parte superior, hasta que se alcanza el equilibrio. Determinar: a) La presion al final del proceso b) El calor intercambiado

Ayuda al entendimiento: En el momento en que se perfora el piston, existe un desiquilibrio de presiones entre ambas camaras y el vapor comienza a fluir de parte inferior a la superior con el fin de igualar las presiones. Al producirse este flujo de vapor, la camara inferior va perdiendo presion y no es capaz de equilibar el peso que ejerce el pisto, por lo cual el volumen de la camara inferior disminuira para equilibrarlo. Por tanto, nunca se logra el equilibrio de presiones y el piston cae hasta alcanzar el fondo

3.- El Piston sin friccion del cilindro de la figura tiene una masa de 20 kg. Se añade calor hasta que la temperatura alcanza 400 oC. El titulo inicial del vapor es del 20% y la presion atmosferica es de 100 kPa. Determinar: a) La presion inicial b) La masa del agua c) El titulo justo en el momento en que el piston alcanza los topes d) La presion final e) El trabajo realizado por el gas f) El diagrama P-v

4.- La máquina representada en la figura está formada por dos sistemas cilindro-pistón sin rozamiento conectados por una válvula V. Los dos cilindros tienen un diámetro de 0,05 m (5 cm) y la altura suficiente para que no se salgan los pistones durante el ciclo. La masa que actúa

sobre A (MA), junto con la presión atmosférica de 100 kPa, ejercen una presión de 1 MPa; en el cilindro B la presión resultante es de 150 kPa. Los cilindros están dotados de sistemas de calentamiento y enfriamiento (no representados); el calentamiento se realiza desde un foco cuya temperatura es 50 K mayor que el punto más caliente del fluido; y el sistema de enfriamiento es un foco a 20 °C. Inicialmente, el cilindro A contiene 0,01 kg (10 gramos) de agua líquida a 1 MPa y 30 °C, el cilindro B no tiene nada de agua y la válvula V se encuentra cerrada. El ciclo consta de las siguientes etapas: • Proceso 1-2: se calienta el cilindro A hasta que el agua se evapora totalmente (2). • Proceso 2-3: se abre la válvula V, y todo el contenido de A se traspasa a B, sin intercambio de calor con el entorno. A continuación se cierra la válvula. • Proceso 3-4: el vapor del cilindro B se refrigera hasta que alcanza los 30 °C (4). • Proceso 4-1: se intercambian los valores de las masas que actúan sobre los dos cilindros: la masa que actúa en el pistón B se incrementa hasta el valor de la masa del pistón A, y viceversa. De este modo, este estado final es idéntico al inicial, con lo que se completa el ciclo. (a) Represente el proceso en un diagrama P-v. (b) Determine el valor de las masas de los dos pistones (MA y MB). (c) Demuestre que h3 = h2, partiendo del balance de energía en sistemas cerrados. (d) Calcule la altura del pistón en los estados 2 y 3. (e) Calcule el calor intercambiado en cada etapa. (f) Calcule la entropía generada por ciclo. (g) ¿Cuál sería el rendimiento de una máquina reversible que operara entre los mismos focos? ¿Considera Vd. que este sistema es una máquina térmica? Razone su respuesta.

5.- Considere la planta generadora de energía simple a base de vapor, como se muestra en la figura. Los datos correspondientes a esta planta se encuentran en la siguiente tabla: Ubicación Presión Temperatura o Calidad Salida de la caldera 2.0 Mpa 300 OC Entrada de la Turbina 1.9 Mpa 290 OC Salida de la turbina y 15 kPa 0.90 Entrada del condensador Salida del Condensador y 14 kPa 45 OC Entrada a la Bomba Determine las siguientes cantidades en unidades específicas que fluyen a través del sistema, teniendo en consideración los balances energéticos en cada unidad. a) Transferencia de calor en la tubería entre la caldera y la turbina. b) Trabajo de la turbina c) Transferencia de calor en el condensador d) Transferencia de calor en la caldera

Caldera Turbina Bomba Condensad

or

6.- Los siguientes datos son para una planta generadora de energía, como mostrado en la figura. El estado 6 tiene x6 = 0.92 y una velocidad de 200 m/s. El flujo masico es 25 kg/s, con 300 kW de potencia de salida de la bomba. Los diametros de las tuberias son 200 mm del generador a la turbina y 75 mm del condensador al economizador y generador. Determine la velocidad del estado 5 y la potencia de salida de la turbina. Estado 1 2 3 4 5 6 7 P (kPa) 6200 6100 5900 5700 5500 10 9 T (oC) 45 175 500 490 40 h (kJ/kg) 194 744 3426 3404 168