6-2C Describa un proceso imaginario que satisfaga la segunda ley pero viole la primera ley de la termodinámica. Get solution
6-3C Describa un proceso imaginario que viole tanto la primera como la segunda leyes de la termodinámica. Get solution
6-4C Un experimentador asegura haber subido la temperatura de una pequeña cantidad de agua a 150 °C transfiriendo calor de vapor a alta presión a 120 °C. ¿Es ésta una aseveración razonable? ¿Por qué? Suponga que no se usa en el proceso ni refrigerador, ni bomba de calor. Get solution
6-5C ¿Qué es un depósito de energía térmica? Dé algunos ejemplos. Get solution
6-6C Considere el proceso de hornear papas en un horno convencional. ¿Se puede considerar el aire caliente del horno como un depósito térmico? Explique. Get solution
6-7C Considere la energía generada por un televisor. ¿Cuál es una selección adecuada para depósito de energía térmico? Get solution
6-8C ¿Es posible que una máquina térmica opere sin rechazar ningún calor de desecho a un depósito de baja temperatura? Explique. Get solution
6-9C ¿Cuáles son las características de todas las máquinas térmicas? Get solution
6-10C Los calentadores con base de tablilla son básicamente calentadores de resistencia eléctrica, y se usan con frecuencia para calefacción de espacios. Una ama de casa asegura que sus calentadores con base de tablilla, que tienen 5 años de uso, tienen una eficiencia de conversión del 100 por ciento. ¿Es esta afirmación una violación de algunas leyes termodinámicas? Explique. Get solution
6-11C ¿Cuál es la expresión de Kelvin-Planck de la segunda ley de la termodinámica? Get solution
6-12C ¿Una máquina térmica que tiene una eficiencia térmica de 100 por ciento viola necesariamente a) la primera ley y b) la segunda ley de la termodinámica? Explique. Get solution
6-13C En ausencia total de fricción y de otras irreversibilidades, ¿puede una máquina térmica tener una eficiencia de 100 por ciento? Explique. Get solution
6-14C Las eficiencias de todos los dispositivos productores de trabajo, incluyendo las plantas hidroeléctricas, ¿están limitadas por la expresión de Kelvin-Planck de la segunda ley? Explique. Get solution
6-15C Considere una cacerola de agua que se calienta a) colocándola en una parrilla eléctrica y b) colocando un elemento calentador en el agua. ¿Cuál de los dos métodos es la manera más eficiente de calentar el agua? Explique. Get solution
6-16E Una máquina térmica tiene una entrada de calor de 3 × 104 Btu/h, y una eficiencia térmica de 40 por ciento. Calcule la potencia que producirá en hp. Get solution
6-17 La eficiencia térmica de una máquina térmica general es 40 por ciento, y produce 30 hp. ¿A qué tasa se transfiere calor en este motor, en kJ/s? Get solution
6-18 Una planta termoeléctrica de 600 MW, que usa, para el proceso de enfriamiento, el agua de un río cercano, tiene una eficiencia térmica de 40 por ciento. Determine la tasa de transferencia térmica al agua del río. ¿La tasa real de transferencia será mayor o menor que este valor? ¿Por qué? Get solution
6-19 Una máquina térmica que bombea agua para extraerla de una mina subterránea acepta 700 kJ de calor y produce 250 kJ de trabajo. ¿Cuánto calor rechaza, en kJ? Get solution
6-20 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 Get solution
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 Get solution
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 Get solution
6-23 En 2001, Estados Unidos produjo 51 por ciento de su electricidad, 1.878 _ 1012 kWh, en plantas con quemadores de carbón. Tomando la eficiencia térmica promedio como 34 por ciento, determine la cantidad de energía térmica rechazada por las plantas eléctricas de carbón en Estados Unidos ese año. Get solution
6-24 El Departamento de Energía proyecta que entre los años 1995 y 2010, Estados Unidos necesitará construir nuevas plantas eléctricas para generar una cantidad adicional de 150,000 MW de electricidad para responder a la demanda creciente de potencia eléctrica. Una posibilidad es construir plantas con quemadores de carbón, cuya construcción cuesta $1 300 por kW y tienen una eficiencia de 40 por ciento. Otra posibilidad es usar las plantas más limpias ecológicamente de Ciclo Combinado de Gasificación Integrada (IGCC, por sus siglas en inglés), en las que el carbón se somete a calor y presión para gasificarlo al mismo tiempo que se eliminan el azufre y sus derivados. El carbón gasificado se quema luego en una turbina de gas, y parte del calor de desecho de los gases de escape se recupera para generar vapor para la turbina de vapor. Actualmente la construcción de plantas IGCC cuesta alrededor de $1,500 dólares por kW, pero su eficiencia es alrededor de 48 por ciento. El poder calorífico promedio del carbón es alrededor de 28,000,000 kJ por tonelada (es decir, se liberan 28,000,000 kJ de calor al quemar una tonelada de carbón). Si la planta IGCC ha de recuperar su diferencia de costo por ahorros en combustible en cinco años, determine cuál debe ser el precio del carbón en dólares por tonelada. Get solution
6-25 Reconsidere el problema 6 - 24. Utilizando software EES (u otro), investigue el precio del carbón para diversos periodos de recuperación de inversión simple, diversos costos de construcción de planta y diversas eficiencias operativas. Get solution
6-26 Repita el problema 6 - 24 para un periodo de recuperación simple de tres años en vez de cinco años. Get solution
6-27E La energía solar almacenada en grandes cuerpos de agua, que se llaman estanques solares, se utiliza para generar electricidad. Si una planta de energía solar tiene una eficiencia de 4 por ciento y una generación neta de 350 kW, determine el valor promedio de la tasa necesaria de recolección de energía solar, en Btu/h. Get solution
6-28 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 aire-combustible 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 _ 106 kg; b) 402 kg/s Refrigeradores y bombas de calor Get solution
6-29C ¿Cuál es la diferencia entre un refrigerador y una bomba de calor? Get solution
6-30C ¿Cuál es la diferencia entre un refrigerador y un acondicionador de aire? Get solution
6-31C En un refrigerador, el calor se transfiere de un medio de menor temperatura (el espacio refrigerado) a uno de mayor temperatura (el aire de la cocina). ¿Es ésta una violación de la segunda ley de la termodinámica? Explique. Get solution
6-32C Una bomba de calor es un dispositivo que absorbe energía del aire exterior frío y la transfiere al interior más cálido. ¿Es ésta una violación de la segunda ley de la termodinámica? Explique. Get solution
6-33C Defina con sus propias palabras el coeficiente de desempeño de un refrigerador. ¿Puede ser mayor que la unidad? Get solution
6-34C Defina con sus propias palabras el coeficiente de desempeño de una bomba de calor. ¿Puede ser mayor que la unidad? Get solution
6-35C Una bomba de calor que se usa para calentar una casa tiene un COP (coeficiente de desempeño) de 2.5. Es decir, la bomba de calor entrega 2.5 kWh de energía a la casa por cada kWh de electricidad que consume. ¿Es ésta una violación de la primera ley de la termodinámica? Explique. Get solution
6-36C Un refrigerador tiene un COP de 1.5. Es decir, el refrigerador remueve 1.5 kWh de energía del espacio refrigerado por cada kWh de electricidad que consume. ¿Es ésta una violación de la primera ley de la termodinámica? Explique. Get solution
6-37C ¿Cuál es la expresión de Clausius de la segunda ley de la termodinámica? Get solution
6-38C Demuestre que las expresiones de Kelvin-Planck y de Clausius de la segunda ley son equivalentes. Get solution
6-39E Una bomba de calor residencial tiene un coeficiente de desempeño de 2.4. ¿Cuánto efecto de calefacción se obtiene, en Btu, cuando se suministran 5 hp a esta bomba de calor? Get solution
6-40 Un acondicionador de aire produce un efecto de enfriamiento de 2 kW al rechazar 2.5 kW de calor. ¿Cuál es su COP? Get solution
6-41 Un refrigerador que se usa para enfriar una computadora necesita 3 kW de potencia eléctrica, y tiene un COP de 1.4. Calcule el efecto de enfriamiento de este refrigerador, en kW. Get solution
6-42 Un almacén de alimentos se mantiene a –12 °C mediante un refrigerador, en un entorno de 30 °C. La ganancia total de calor al almacén se estima en 3 300 kJ/h, y el rechazo de calor en el condensador es de 4 800 kJ/h. Determine la entrada de potencia al compresor, en kW, y el COP del refrigerador. Get solution
6-43 Un refrigerador doméstico con un COP de 1.2 quita calor del espacio refrigerado 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 Get solution
6-44E 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? Get solution
6-45 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 Get solution
6-46 Un refrigerador doméstico que tiene una entrada de potencia de 450 W y un COP de 2.5 debe enfriar cuatro sandías grandes, de 10 kg cada una, a 8 °C. Si las sandías están inicialmente a 20 °C, determine cuánto tardará el refrigerador en enfriarlas. Las sandías se pueden tratar como agua, cuyo calor específico es 4.2 kJ/kg • °C. ¿Su respuesta es realista u optimista? Explique. Respuesta: 2 240 s Get solution
6-47 Cuando un hombre regresa a su casa bien sellada en un día de verano, encuentra que su casa está a 35 °C. Enciende el acondicionador de aire, que enfría toda la casa a 20 °C en 30 minutos. Si el COP del sistema de acondicionamiento de aire es 2.8, determine la potencia que toma el acondicionador de aire. Suponga que toda la masa dentro de la casa equivale a 800 kg de aire para el cual cv _ 0.72 kJ/kg • °C y cp _ 1.0 kJ/kg • °C. Get solution
6-48 Reconsidere el problema 6-47. Usando el software EES u otro, determine la entrada de potencia que necesita el acondicionador de aire para enfriar la casa como función de las especificaciones EES de los acondicionadores de aire en el rango de 5 a 15. Explique sus resultados e incluya costos representativos de unidades de acondicionamiento de aire en el rango de especificaciones EES. Get solution
6-49 Se deben enfriar plátanos de 24 a 13 °C a razón de 215 kg/h, mediante un sistema de refrigeración. La entrada de potencia al refrigerador es 1.4 kW. Determine la tasa de enfriamiento, en kJ/min, y el COP del refrigerador. El calor específico de los plátanos arriba del punto de congelación es 3.35 kJ/kg °C. Get solution
6-50 Se usa un refrigerador para enfriar agua de 23 a 5 °C de manera continua. El calor rechazado en el condensador es de 570 kJ/min, y la potencia es de 2.65 kW. Determine la tasa a la que se enfría el agua, en L/min, y el COP del refrigerador. El calor específico del agua es 4.18 kJ/kg • °C, y su densidad es de 1 kg/L. Respuestas: 5.46 L/min, 2.58. Get solution
6-51 Se usa una bomba de calor para mantener una casa a una temperatura constante de 23 °C. La casa pierde calor hacia el aire exterior a través de las paredes y las ventanas a razón de 60,000 kJ/h, mientras que la energía generada dentro de la casa por las personas, las luces y los aparatos domésticos es de 4,000 kJ/h. Para un COP de 2.5, determine la potencia necesaria para la operación de bomba de calor. Get solution
6-52E Entra agua a una máquina de hielo a 55°F, y sale como hielo a 25°F. Si el COP de la máquina de hielo es 2.4 en esta operación, determine el suministro necesario de potencia para una tasa de producción de hielo de 28 lbm/h (se necesita quitar 169 Btu de energía de cada lbm de agua a 55 °F para convertirla en hielo a 25 °F). Get solution
6-53E Considere un cuarto de oficina que se enfría adecuadamente mediante un acondicionador de aire de ventana de 12,000 Btu/h de efecto de enfriamiento. Ahora se ha decidido convertir este cuarto en cuarto de computadoras instalando varias computadoras, terminales e impresoras con una potencia nominal total de 8.4 kW. Se tienen en almacén varios acondicionadores de aire de 7,000 Btu/h de efecto de enfriamiento, que se pueden instalar para responder a las necesidades adicionales de enfriamiento. Suponiendo un factor de uso de 0.4 (es decir, sólo se consumirá en un tiempo dado 40 por ciento de la potencia nominal) y la presencia de cuatro personas adicionales, cada una de las cuales genera calor a razón de 100 W, determine cuántos de estos acondicionadores de aire se necesitan instalar en el cuarto. Get solution
6-54 Considere un edificio cuya carga anual de acondicionamiento de aire se estima en 120,000 kWh en un área donde el costo unitario de electricidad es $0.10/kWh. Se consideran dos acondicionadores de aire para el edificio. El acondicionador de aire A tiene un COP promedio estacional de 3.2 y su adquisición e instalación cuesta $5,500. El acondicionador B tiene un COP promedio estacional de 5.0 y su adquisición e instalación cuesta $7,000. Si todo lo demás es igual, determine cuál de los dos acondicionadores de aire es la mejor compra. Get solution
6-55 Una casa que se calentaba mediante calentadores de resistencia eléctrica consumía 1 200 kWh de energía eléctrica en un mes de invierno. Si, en vez de esto, esta casa se hubiese calentado mediante una bomba de calor con un COP promedio de 2.4, determine cuánto dinero habría ahorrado el dueño de la casa ese mes. Suponga un precio de la electricidad de $0.085/kWh. Get solution
6-56 En el condensador de una bomba de calor residencial entra refrigerante 134a a 800 kPa y 35 °C, a razón de 0.018 kg/s, y sale como líquido saturado a 800 kPa. Si el compresor consume 1.2 kW de potencia, determine a) el COP de la bomba de calor y b) la tasa de absorción de calor del aire exterior. Get solution
6-57 A los serpentines del evaporador en la parte posterior de la sección de congelador de un refrigerador doméstico, entra refrigerante 134a a 100 kPa con una calidad de 20 por ciento, y sale a 100 kPa y -26 °C. Si el compresor consume 600 W de energía y el COP del refrigerador es 1.2, determine a) el flujo másico del refrigerante y b) la tasa de rechazo de calor hacia el aire de la cocina. Get solution
6-58C Un inventor afirma que ha desarrollado un calentador de resistencia que da 1.2 kWh de energía a un cuarto por cada kWh de electricidad que consume. ¿Es ésta una aseveración razonable, o este inventor ha desarrollado una máquina de movimiento perpetuo? Explique. Get solution
6-59C Es de conocimiento común que la temperatura del aire sube cuando se le comprime. Un inventor pensó usar este aire de alta temperatura para calentar edificios. Usó un compresor actuado por un motor eléctrico. El inventor dice que el sistema de aire caliente comprimido es 25 por ciento más eficiente que un sistema de calentamiento por resistencia que dé una cantidad equivalente de calentamiento. ¿Es esta afirmación válida, o es sólo otra máquina de movimiento perpetuo? Explique. Get solution
6-60C Demuestre que los procesos que usan trabajo para mezclar son irreversibles considerando un sistema adiabático cuyo contenido se agita haciendo girar una rueda de paletas dentro del sistema (por ejemplo, batir una mezcla de pastel con un mezclador eléctrico). Get solution
6-61C Demuestre que los procesos que incluyen reacciones químicas rápidas son irreversibles considerando la combustión de una mezcla de gas natural (por ejemplo metano) y aire en un contenedor rígido. Get solution
6-62C Una bebida enlatada fría se deja en un cuarto más caliente, donde su temperatura se eleva como consecuencia de la transferencia de calor. ¿Es éste un proceso reversible? Explique. Get solution
6-63C Un bloque se desliza hacia abajo por un plano inclinado, con fricción y sin fuerza restrictiva. ¿Este proceso es reversible o irreversible? Justifique su respuesta. Get solution
6-64C ¿Por qué se interesan los ingenieros en los procesos reversibles aun cuando nunca se puedan lograr? Get solution
6-65C ¿Por qué un proceso de compresión no cuasiequilibrado necesita una mayor entrada de trabajo que el correspondiente proceso de cuasiequilibrio? Get solution
6-66C ¿Por qué un proceso de expansión no cuasiequilibrado produce menos trabajo que el correspondiente proceso de cuasiequilibrio? Get solution
6-67C ¿Cómo distingue entre irreversibilidades internas y externas? Get solution
6-68C ¿Un proceso reversible de compresión o expansión es necesariamente de cuasiequilibrio? ¿Una expansión o compresión de cuasiequilibrio es necesariamente reversible? Explique. Get solution
6-69C ¿Cuáles son los cuatro procesos que constituyen el ciclo de Carnot? Get solution
6-70C ¿Cuáles son las dos afirmaciones que se conocen como principios de Carnot? Get solution
6-71C Alguien afirma haber desarrollado un nuevo ciclo reversible de máquina térmica que tiene una eficiencia teórica más alta que el ciclo de Carnot operando entre los mismos límites de temperatura. ¿Cómo evalúa usted esta afirmación? Get solution
6-72C Alguien afirma haber desarrollado un nuevo ciclo reversible de máquina térmica que tiene la misma eficiencia teórica que el ciclo de Carnot entre los mismos límites de temperatura. ¿Es ésta una afirmación razonable? Get solution
6-73C ¿Es posible desarrollar un ciclo de máquina térmica a) real y b) reversible que sea más eficiente que el ciclo de Carnot operando entre los mismos límites de temperatura? Explique. Get solution
6-74C ¿Hay alguna manera de aumentar la eficiencia de una máquina térmica de Carnot que no sea aumentar TH o disminuir TL? Get solution
6-75C Considere dos plantas eléctricas reales que operan con energía solar. Una planta recibe energía de un estanque solar a 80 °C, y la otra la recibe de colectores concentradores que elevan la temperatura del agua a 600 °C. ¿Cuál de estas plantas eléctricas tendrá una eficiencia más alta? Explique. Get solution
6-76E 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? Get solution
6-77 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 térmica a 625 K y 275 K? Get solution
6-78 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. Get solution
6-79 Reconsidere el problema 6-78. Usando software EES (u otro), estudie los efectos de las temperaturas de la fuente de calor y del sumidero sobre la potencia producida y la eficiencia térmica del ciclo. Suponga que la temperatura de la fuente varía de 300 a 1 000 °C, y que la temperatura del sumidero varía de 0 a 50 °C. Grafique la potencia producida y la eficiencia del ciclo contra la temperatura de la fuente para temperaturas de sumidero de 0 °C, 25 °C y 50 °C, y explique los resultados. Get solution
6-80E Una máquina térmica trabaja en un ciclo de Carnot y tiene una eficiencia térmica de 75 por ciento. El calor de desecho de esta máquina se rechaza hacia un lago cercano a 60 °F, a razón de 800 Btu/min. Determine a) la producción de potencia de la máquina y b) la temperatura de la fuente. Get solution
6-81E Un inventor afirma haber diseñado una máquina cíclica para usarse en vehículos espaciales que opera con una fuente de energía generada por combustible nuclear, cuya temperatura es 1,000 R, y un sumidero a 550 R que irradia el calor de desecho al espacio interestelar. También afirma que esta máquina produce 5 hp al rechazar el calor a razón de 15,000 Btu/h. ¿Es válida esta afirmación? Get solution
6-82 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. Get solution
6-83 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. Get solution
6-84 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. Get solution
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. Get solution
6-86 Se afirma que la eficiencia de una máquina térmica completamente reversible se puede duplicar al aumentar al doble la temperatura de la fuente de energía. Analice la validez de esta afirmación. Refrigeradores y bombas de calor de Carnot Get solution
6-87C ¿Cómo se puede aumentar el COP de un refrigerador de Carnot? Get solution
6-88C Un propietario de casa compra un nuevo refrigerador y un nuevo acondicionador de aire. ¿Cuál de estos dos aparatos esperaría usted que tuviera un COP más alto? ¿Por qué? Get solution
6-89C Un propietario de casa compra un nuevo refrigerador sin compartimiento congelador, y un congelador a muy baja temperatura para su cocina nueva. ¿Cuáles de estos aparatos esperaría usted que tuviera un menor COP? ¿Por qué? Get solution
6-90C En un esfuerzo para conservar la energía en un ciclo de máquina térmica, alguien sugiere incorporar un refrigerador que absorba algo de la energía de desecho QL y la transfiera a la fuente de energía de la máquina térmica. ¿Es ésta una idea inteligente? Explique. Get solution
6-91C Está bien establecido que la eficiencia térmica de una máquina térmica aumenta al disminuir la temperatura TL a la que se rechaza el calor de la máquina térmica. En un esfuerzo por aumentar la eficiencia de una planta eléctrica, alguien sugiere refrigerar el agua de enfriamiento antes de que entre al condensador, donde tiene lugar el rechazo de calor. ¿Estaría usted a favor de esta idea? ¿Por qué? Get solution
6-92C Se sabe bien que la eficiencia térmica de las máquinas térmicas aumenta al incrementar la temperatura de la fuente de energía. En un intento de aumentar la eficiencia de una planta eléctrica, alguien sugiere transferir energía, mediante una bomba de calor, de la fuente disponible de energía a un medio a temperatura más alta, antes de suministrar la energía a la planta eléctrica. ¿Qué piensa usted de esta sugerencia? Explique. Get solution
6-93 Determine el trabajo mínimo, por unidad de transferencia de calor desde la fuente de calor, que se necesita para accionar una bomba de calor que opera con los depósitos de energía térmica a 273 K y 303 K. Get solution
6-94 Un inventor afirma haber desarrollado una bomba térmica que produce un efecto de calentamiento de 200 kW para una zona calentada a 293 K usando solamente 75 kW de potencia y una fuente de calor a 273 K. Justifique la validez de esta afirmación. Get solution
6-95 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 Get solution
6-96 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. Get solution
6-97 Un inventor dice haber desarrollado un sistema de refrigeración que quita el calor de una región cerrada a _12 °C y lo transfiere al aire circundante a 25 °C manteniendo un COP de 6.5. ¿Es esta afirmación razonable? ¿Por qué? Get solution
6-98E 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 Get solution
6-99 Una bomba de calor se usa para mantener una casa a 22 °C extrayendo calor del aire exterior un día en el que la temperatura del aire exterior es de 2 °C. Se estima que la casa pierde calor a razón de 110,000 kJ/h, y la bomba de calor consume 5 kW de potencia eléctrica para operar. ¿Esta bomba es suficientemente potente para hacer este trabajo? Get solution
6-100E Un refrigerador completamente reversible opera entre depósitos de energía a 450 R y 540 R. ¿Cuántos kilowatts de potencia se necesitan para que este dispositivo produzca un efecto de enfriamiento de 15,000 Btu/h? Get solution
6-101 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. Get solution
6-102 Se usa, operando a plena carga, un acondicionador de aire Split de 18 000 Btu/h, para mantener una habitación a 22 °C en un entorno de 33 °C. El suministro de potencia al compresor es 3.4 kW. Determine a) la tasa de calor rechazado en el condensador, en kJ/h, b) el COP del acondicionador, y c) la tasa de enfriamiento, en Btu/h, si el acondicionador operase como refrigerador Carnot para el mismo suministro de potencia. Get solution
6-103 Un refrigerador Carnot absorbe calor de un espacio a 15 °C a razón de 16 000 kJ/h, y rechaza calor a un depósito a 36 °C. Determine el COP del refrigerador, la entrada de potencia en kW y la tasa de calor rechazado al depósito de alta temperatura, en kJ/h. Get solution
6-104 El desempeño de una bomba de calor se degrada (es decir, disminuye su COP) al disminuir la temperatura de la fuente de calor. Esto hace poco atractivo el uso de bombas de calor en ubicaciones con condiciones climatológicas severas. Considere una casa que se calienta y se mantiene a 20 °C mediante una bomba de calor durante el invierno. ¿Cuál es el COP máximo para esta bomba de calor si el calor se extrae del aire exterior a a) 10 °C, b) _5 °C y c) _30 °C? Get solution
6-105E Una bomba de calor se va a usar para calentar una casa en el invierno. La casa se debe mantener a 78 °F todo el tiempo. Cuando la temperatura exterior cae a 25 °F, las pérdidas de calor de la casa se estiman en 55,000 Btu/h. Determine la potencia mínima necesaria para accionar esta bomba de calor si el calor se extrae de a) el aire exterior a 25 °F y b) el agua del pozo a 50 °F. Get solution
6-106 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. Get solution
6-107 Una máquina térmica de Carnot recibe calor de un depósito a 900 °C a razón de 800 kJ/min, y rechaza el calor de desecho al aire ambiente a 27 °C. Toda la potencia producida por la máquina térmica se usa para accionar un refrigerador que quita calor del espacio refrigerado a _5 °C y lo transfiere al mismo aire ambiente a 27 °C. Determine a) la tasa máxima de remoción de calor del espacio refrigerado y b) la tasa total de rechazo de calor al aire ambiente. Respuestas: a) 4 982 kJ/min, b) 5 782 kJ/min Get solution
6-108E Una máquina térmica de Carnot recibe calor de un depósito a 1.700 °F a razón de 700 Btu/min, y rechaza el calor de desecho al aire ambiente a 80 °F. Toda la potencia producida por la máquina térmica se usa para accionar un refrigerador que quita calor del espacio refrigerado a 20 °F y lo transfiere al mismo aire ambiente a 80 °F. Determine a) la tasa máxima de remoción de calor del espacio refrigerado y b) la tasa total de rechazo de calor al aire ambiente. Respuestas: a) 4 200 Btu/min; b) 4 900 Btu/min Get solution
6-109 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 Get solution
6-110 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. Get solution
6-111 Calcule y grafique el COP de un refrigerador completamente reversible como función de la temperatura del sumidero hasta 500 K, con la temperatura de la fuente fijada a 250 K. Get solution
6-112 Deduzca una expresión para el COP de un refrigerador completamente reversible en términos de las temperaturas de los depósitos de energía térmica, TL y TH. Get solution
6-113C Explique cómo puede usted reducir el consumo de energía del refrigerador de su casa. Get solution
6-114C ¿Por qué es importante limpiar los serpentines de enfriamiento de un refrigerador doméstico unas veces al año? También, ¿por qué es importante no bloquear el flujo de aire alrededor de los serpentines del condensador? Get solution
6-115C ¿Por qué los refrigeradores actuales son mucho más eficientes que los que se construían en el pasado? Get solution
6-116C Alguien propone que el sistema de refrigeración de un supermercado se sobrediseñe, de modo que todas las necesidades de acondicionamiento de aire de la tienda se puedan satisfacer por aire refrigerado sin instalar un sistema de acondicionamiento de aire. ¿Qué piensa usted de esta propuesta? Get solution
6-117C Alguien propone que todas las necesidades de refrigeración y congelación de una tienda se satisfagan usando un gran congelador que suministre suficiente aire frío a _20 °C en vez de instalar refrigeradores y congeladores separados. ¿Qué piensa usted de esta propuesta? Get solution
6-118 La etiqueta de “Guía energética” de un refrigerador dice que el refrigerador consumirá electricidad con un costo de $74 por año con uso normal si el costo de electricidad es de $0.07/kWh. Si la electricidad que consume el foco de iluminación es despreciable y el refrigerador consume 300 W cuando trabaja, determine la fracción del tiempo durante la cual trabajará el refrigerador. Get solution
6-119 La iluminación interior de los refrigeradores normalmente se hace mediante lámparas incandescentes cuyos interruptores se actúan al abrir la puerta del refrigerador. Considere un refrigerador cuyo foco de 40 W permanece encendido aproximadamente 60 h por año. Se propone reemplazar el foco por otro más eficiente que consume sólo 18 W pero tiene un precio de adquisición e instalación de $25. Si el refrigerador tiene un coeficiente de desempeño de 1.3 y el costo de la electricidad es de 8 centavos de dólar por kWh, determine si los ahorros de energía por foco propuesto justifican su costo. Get solution
6-120 Comúnmente se recomienda dejar enfriar a temperatura ambiente los alimentos calientes antes de introducirlos al refrigerador, para ahorrar energía. A pesar de esta recomendación de sentido común, una persona sigue cocinando dos veces a la semana una gran cacerola de estofado y metiendo la cacerola al refrigerador cuando aún está caliente, pensando que el dinero ahorrado probablemente es muy poco. Pero dice que se puede convencer si usted le demuestra que el ahorro es significativo. La masa promedio de la cacerola y su contenido es de 5 kg. La temperatura promedio de la cocina es 23 °C, y la temperatura promedio del alimento es 95 °C cuando se quita de la estufa. El espacio refrigerado se mantiene a 3 °C, y el calor específico promedio del alimento y la cacerola se puede tomar como 3.9 kJ/kg • °C. Si el refrigerador tiene un coeficiente de desempeño de 1.5 y el costo de la electricidad es 10 centavos de dólar por kWh, determine cuánto ahorrará esta persona por año esperando que el alimento se enfríe a la temperatura ambiente antes de ponerlo en el refrigerador. Get solution
6-121 Con frecuencia se dice que la puerta del refrigerador se debe abrir tan pocas veces como sea posible, durante el tiempo más corto posible, para ahorrar energía. Considere un refrigerador doméstico cuyo volumen interior es 0.9 m3, y la temperatura interior promedio es 4 °C. En cualquier tiempo dado, un tercio del espacio refrigerado está ocupado por alimentos, y el espacio restante de 0.6 m3 está lleno de aire. La temperatura promedio y la presión promedio en la cocina son 20 °C y 95 kPa, respectivamente. Los contenidos de humedad en la cocina y el refrigerador son 0.010 y 0.004 kg/kg de aire, respectivamente, y por lo tanto 0.006 kg de vapor de agua se condensan y se retiran del aire por cada kilogramo de aire que entra. La puerta del refrigerador se abre un promedio de 8 veces al día, y cada vez se reemplaza la mitad del volumen de aire en el refrigerador por el aire más tibio de la cocina. Si el refrigerador tiene un coeficiente de desempeño de 1.4 y el costo de la electricidad es de $7.5 centavos por kWh, determine el costo de la energía que se desperdicia por año como resultado de abrir la puerta del refrigerador. ¿Cuál sería la respuesta de usted si el aire de la cocina fuera muy seco y se condensara una cantidad despreciable de vapor de agua en el refrigerador? Get solution
6-122 Una máquina térmica opera con una fuente a 1 280 K y un disipador a 290 K. ¿Cuál es el trabajo máximo por unidad de calor que puede la máquina extraer de la fuente Get solution
6-123 Una máquina térmica recibe calor de una fuente de calor a 1 200 °C, y rechaza calor a un disipador de calor a 50 °C. La máquina térmica realiza trabajo máximo igual a 500 kJ. Determine el calor suministrado a la máquina térmica por la fuente de calor, y el calor rechazado al disipador. Get solution
6-124E 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. Get solution
6-125 Se usa una bomba de calor con un COP de 2.4 para calentar una casa. Al operar, la bomba de calor consume 8 kW de potencia eléctrica. Si la casa pierde calor al exterior a una tasa promedio de 40 000 kJ/h y la temperatura de la casa es de 3 °C cuando se inicia la operación de la bomba de calor, determine cuánto tiempo transcurrirá hasta que la temperatura de la casa se eleve a 22 °C. Suponga que la casa está bien sellada (es decir, no tiene fugas de aire), y considere la masa total dentro de la casa (aire, muebles, etc.) como equivalente a 2 000 kg de aire. Get solution
6-126E Un sistema de refrigeración utiliza un condensador enfriado con agua para rechazar el calor de desecho. El sistema absorbe calor de un espacio que está a 25 °F, a razón de 24 000 Btu/h. El agua entra al condensador a 58 °F a razón de 1.45 lbm/s. El COP del sistema se estima como 1.77. Determine a) la entrada de potencia al sistema, en kW, b) la temperatura del agua a la salida del condensador, en °F y c) el COP máximo posible del sistema. El calor específico del agua es 1.0 Btu/lbm • °F. Get solution
6-127 Considere un ciclo de máquina térmica de Carnot que se ejecuta en un sistema cerrado usando 0.01 kg de refrigerante 134a como fluido de trabajo. El ciclo tiene una eficiencia térmica de 15 por ciento, y el refrigerante 134a cambia de líquido saturado a vapor saturado a 50 °C durante el proceso de adición de calor. Determine la producción neta de trabajo de esta máquina por ciclo. Get solution
6-128 Una bomba de calor con un COP de 2.8 se usa para calentar una casa hermética 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 min Get solution
6-129 Un método prometedor de generación de potencia se basa en la captación y almacenamiento de energía solar en grandes lagos artificiales de unos pocos metros de profundidad, que se llaman estanques solares. La energía solar se absorbe por todas partes del estanque, y la temperatura del agua se eleva por todas partes. La parte superior del estanque, sin embargo, pierde hacia la atmósfera mucho del calor que absorbe y, como resultado, su temperatura cae. Esta agua fría sirve como aislamiento para el agua caliente en la parte inferior del estanque y ayuda a atrapar la energía en dicha parte inferior. Usualmente se coloca sal en el fondo del estanque para evitar que esta agua caliente suba a la superficie. Una planta de generación eléctrica que usa como fluido de trabajo un fluido orgánico, como alcohol, se puede operar entre la parte superior y la inferior del estanque. Si la temperatura del agua es de 35 °C cerca de la superficie y de 80 °C cerca del fondo del estanque, determine la eficiencia térmica máxima que puede tener esta planta de generación. ¿Es realista usar 35 y 80 °C para las temperaturas en el cálculo? Explique. Get solution
6-130 Considere un ciclo de máquina térmica de Carnot que se ejecuta en un sistema cerrado usando 0.025 kg de agua como fluido de trabajo. Se sabe que la temperatura absoluta máxima en el ciclo es dos veces la mínima temperatura absoluta, y la producción neta de trabajo del ciclo es 60 kJ. Si el agua cambia de vapor saturado a líquido saturado durante el rechazo de calor, determine la temperatura del agua durante el proceso de rechazo de calor. Get solution
6-131 Reconsidere el problema 6-130. Usando el software EES (o bien otro software), investigue el efecto de la producción de trabajo en la temperatura necesaria del agua durante el proceso de rechazo de calor. Suponga que la producción de trabajo varía entre 40 y 60 kJ. Get solution
6-132 Considere un ciclo de refrigeración de Carnot que se ejecuta en un sistema cerrado en la región de saturación usando 0.96 kg de refrigerante 134a como fluido de trabajo. Se sabe que la temperatura absoluta máxima en el ciclo es 1.2 veces la temperatura absoluta mínima, y la entrada neta de trabajo al ciclo es 22 kJ. Si el refrigerante cambia de vapor saturado a líquido saturado durante el proceso de rechazo de calor, determine la presión mínima en el ciclo. Get solution
6-133 Reconsidere el problema 6-132. Utilizando el software EES (u otro), investigue el efecto de la entrada de trabajo neto en la presión mínima. Suponga que la entrada de trabajo varía de 10 a 30 kJ. Grafique la presión mínima en el ciclo de refrigeración como función de la entrada neta de trabajo, y explique los resultados. Get solution
6-134 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 Get solution
6-135E Calcule y grafique la eficiencia térmica de una máquina térmica completamente reversible como función de la temperatura de la fuente hasta 2.000 R, con la temperatura del sumidero fijada a 500 R. Get solution
6-136 Una máquina térmica de Carnot recibe calor a 900 K y rechaza el calor de desecho al ambiente a 300 K. La potencia desarrollada por la máquina térmica se usa para accionar un refrigerador de Carnot que quita calor del espacio enfriado a _15 °C a razón de 250 kJ/min, y lo rechaza al mismo ambiente a 300 K. Determine a) la tasa de suministro de calor a la máquina térmica y b) la tasa total de rechazo de calor al ambiente. Get solution
6-137 Reconsidere el problema 6-136. Usando el software EES (u otro), investigue los efectos de la temperatura de la fuente de la máquina térmica y la temperatura del espacio enfriado sobre el calor que se necesita suministrar a la máquina térmica y sobre la tasa total de rechazo de calor al ambiente. Suponga que la temperatura de la fuente varía de 500 a 1.000 K, la temperatura del ambiente varía de 275 a 325 K, y la temperatura del espacio enfriado varía de _20 a 0 °C. Grafique el suministro necesario de calor contra la temperatura de la fuente para la temperatura del espacio enfriado de _15 °C y temperaturas del ambiente de 275, 300 y 325 K, y explique los resultados. Get solution
6-138 Una máquina térmica opera entre dos depósitos a 800 y 20 °C. La mitad de la potencia desarrollada por la máquina térmica se usa para acccionar una bomba de calor de Carnot que quita calor del entorno frío a 2 °C y lo transfiere a una casa que se mantiene a 22 °C. Si la casa pierde calor a razón de 62,000 kJ/h, determine la tasa mínima de suministro de calor a la máquina térmica necesaria para mantener la casa a 22 °C. Get solution
6-139E Un inventor afirma haber desarrollado un refrigerador que mantiene el espacio refrigerado a 35 °F operando en un cuarto en el que la temperatura es de 75 °F, y que tiene un COP de 13.5. ¿Esta afirmación es razonable? Get solution
6-140 Considere un ciclo de bomba de calor de Carnot que se ejecuta en sistema de flujo constante en la región de saturación usando refrigerante 134a con un flujo de 0.22 kg/s como fluido de trabajo. Se sabe que la temperatura máxima absoluta en el ciclo es 1.2 veces la temperatura mínima absoluta, y la potencia neta consumida en el ciclo es 5 kW. Si el refrigerante cambia de vapor saturado a líquido saturado durante el proceso de rechazo de calor, determine la relación de las presiones máxima a mínima en el ciclo. Get solution
6-141 Cambiar las lámparas incandescentes con lámparas fluorescentes energéticamente eficientes puede reducir el consumo de energía de iluminación a la cuarta parte de la que era antes. La energía consumida por las lámparas se convierte finalmente en calor y, por lo tanto, al cambiar a iluminación energéticamente eficiente también reduce la carga de enfriamiento en el verano, pero aumenta la carga de calefacción en invierno. Considere un edificio que recibe calefacción de un horno de gas natural con una eficiencia de 80 por ciento, y se enfría mediante un acondicionador de aire con un COP de 3.5. Si la electricidad cuesta $0.08/kWh y el gas natural cuesta $1.40/termia (1 termia _ 105,500 kJ), determine si la iluminación eficiente aumentará o disminuirá el costo total de energía del edificio a) en verano; b) en invierno. Get solution
6-142 Una bomba de calor suministra calor a una casa a razón de 140,000 kJ/h cuando la casa se mantiene a 25 °C. Durante un periodo de un mes, la bomba de calor opera durante 100 horas para transferir energía de una fuente térmica fuera de la casa al interior de la casa. Considere una bomba de calor que recibe calor de dos fuentes diferentes exteriores de energía. En una aplicación, la bomba de calor recibe calor del aire exterior a 0 °C. En una segunda aplicación, la bomba de calor recibe calor de un lago que tiene una temperatura de agua de 10 °C. Si la electricidad cuesta $0.085/kWh, determine la cantidad máxima de dinero que se ahorra por usar el agua de lago en vez del aire exterior como fuente de calor. Get solution
6-143 El espacio vacío de carga de un camión refrigerado, cuyas dimensiones internas son 12 m _ 2.3 m _ 3.5 m, se va a preenfriar de 25 °C a una temperatura promedio de 5 °C. La construcción del camión es tal que hay una transmisión de ganancia de calor a razón de 80 W/ °C. Si la temperatura ambiente es de 25 °C, determine cuánto tardará un sistema con una capacidad de refrigeración de 8 kW en preenfriar este camión. Get solution
6-144 Un sistema de refrigeración debe enfriar barras de pan con una masa promedio de 350 g de 30 a _10 °C a razón de 1 200 barras por hora mediante aire refrigerado a _30 °C. Tomando los calores específico y latente promedio del pan como 2.93 kJ/kg • °C y 109.3 kJ/kg, respectivamente, determine a) la tasa de remoción de calor de los panes, en kJ/h; b) el flujo volumétrico de aire necesario, en m3/h, si la elevación de temperatura del aire no ha de exceder 8 °C, y c) el tamaño del compresor del sistema de refrigeración, en kW, para un COP de 1.2 del sistema de refrigeración. Get solution
6-145 Las necesidades de agua potable de una planta de producción con 20 empleados se deben satisfacer mediante una fuente de agua de tipo burbujeo. La fuente de agua refrigerada debe enfriar el agua de 22 a 8 °C y suministrar agua fría a razón de 0.4 L por hora por persona. El calor se transfiere al depósito del entorno a 25 °C a razón de 45 W. Si el COP del sistema de refrigeración es 2.9, determine el tamaño del compresor, en W, que será adecuado para el sistema de refrigeración de este enfriador de agua. Get solution
6-146E La etiqueta de “Guía energética” en una lavadora indica que la lavadora usará agua caliente por un valor de $33 por año si se calienta el agua mediante un calentador que quema el gas natural, a una tarifa de gas natural de $1.21/termia. Si el agua se calienta de 60 a 130 °F, determine cuántos galones de agua caliente usa una familia promedio por semana. Desprecie la electricidad que consume la lavadora y tome la eficiencia del calentador de agua como 58 por ciento. Get solution
6-147 Un calentador eléctrico de agua típico tiene una eficiencia de 95 por ciento y su operación cuesta $250 por año, a un costo unitario de electricidad de $0.08/kWh. Un típico calentador de agua impulsado por bomba de calor tiene un COP de 3.3, pero su instalación cuesta alrededor de $800 más. Determine en cuántos años pagará el calentador de agua impulsado por bomba de calor su instalación por la energía que ahorra. Get solution
6-148 Reconsidere el problema 6-147. Usando software EES (u otro), investigue el efecto del COP de la bomba de calor en los costos anuales de operación y en el número de años necesarios para salir a mano. Suponga que el COP varía entre 2 y 5. Grafique el periodo de recuperación contra el COP y explique los resultados. Get solution
6-149 Un propietario de casa trata de decidir entre un horno de gas natural de alta eficiencia de 97 por ciento y una bomba de calor con un COP de 3.5 que extrae calor del suelo. Los costos unitarios de la electricidad y el gas natural son $0.092/kWh y $1.42/termia, respectivamente (1 termia _ 105,500 kJ). Determine cuál sistema tendrá un costo menor de consumo de energía. Get solution
6-150 Los ventiladores de la cocina, del baño y otros en una casa se deben usar moderadamente, ya que estos ventiladores pueden descargar, en sólo una hora, el aire enfriado o calentado de la casa equivalente al volumen de esta casa. Considere una casa de 200 m2 cuya altura de techo es de 2.8 m. La casa está calentada por un calefactor de gas de 96 por ciento de eficiencia, y se mantiene a 22 °C y 92 kPa. Si el costo unitario del gas natural es $1.20/termia (1 termia _ 105,500 kJ), determine el costo de energía “tirada por los ventiladores” en 1 h. Suponga que la temperatura exterior promedio durante la estación de calefacción es 5 °C. Get solution
6-151 Repita el problema 6-150 para el costo de acondicionamiento de aire en clima seco para una temperatura exterior de 28 °C. Suponga que el COP del sistema de acondicionamiento de aire es 2.3, y el costo unitario de electricidad es de $0.10/kWh. Get solution
6-152 Una bomba de calor con refrigerante 134a como fluido de trabajo se usa para mantener un espacio a 25 °C absorbiendo calor de agua geotérmica que entra al evaporador a 60 °C a razón de 0.065 kg/s y sale a 40 °C. El refrigerante entra al evaporador a 12 °C con una calidad de 15 por ciento y sale a la misma presión como vapor saturado. Si el compresor consume 1.6 kW de potencia, determine a) el flujo másico del refrigerante, b) la tasa de suministro de calor, c) el COP y d) el consumo mínimo de potencia por el compresor para la misma tasa de suministro de calor. Get solution
6-153 Agua fría a 10 °C entra a un calentador de agua a razón de 0.02 m3/min, y sale del calentador a 50 °C. El calentador recibe calor de una bomba de calor que extrae calor de una fuente de calor a 0 °C. a) Suponiendo que el agua es un líquido incompresible que no cambia de fase durante la adición de calor, determine la tasa de suministro de calor al agua, en kJ/s. b) Suponiendo que el calentador de agua actúa como sumidero térmico con una temperatura promedio de 30 °C, determine la potencia mínima suministrada a la bomba de calor, en kW. Get solution
6-154 Una bomba de calor recibe calor de un lago que tiene una temperatura promedio de invierno de 6 °C y suministra calor a una casa que tiene una temperatura promedio de 27 °C. a) Si la casa pierde calor a la atmósfera a razón de 64,000 kJ/h, determine la potencia mínima suministrada a la bomba de calor, en kW. b) Se usa un intercambiador de calor para transferir la energía del agua del lago al fluido de trabajo de la bomba de calor. Si la temperatura del agua del lago disminuye en 5 °C al fluir a través de los ductos del intercambiador de calor, determine el flujo másico mínimo de agua del lago, en kg/s. Desprecie el efecto del bombeo de agua del lago. Get solution
6-155 Pruebe que el COP de un refrigerador no puede exceder el de un refrigerador completamente reversible que comparte los mismos depósitos de energía térmica. Get solution
6-156 Pruebe que el COP de todos los refrigeradores completamente reversibles debe ser el mismo cuando las temperaturas de los depósitos son las mismas. Get solution
6-157 Deduzca una expresión para el COP de una bomba de calor completamente reversible en términos de las temperaturas de los depósitos de energía térmica TL y TH. Get solution
6-158 Una máquina térmica Carnot opera entre una fuente a TH y un sumidero a TL. Si se desea duplicar la eficiencia térmica de esta máquina, ¿cuál debe ser la nueva temperatura de la fuente? Suponga que la temperatura del sumidero se mantiene constante. Get solution
6-159 Al explicar máquinas de Carnot, se supone que la máquina está en equilibrio térmico con la fuente y el sumidero durante los procesos de adición y rechazo de calor, respectivamente. Es decir, se supone que TH =TH y TL* =TL , de modo que no hay irreversibilidad externa. En ese caso, la eficiencia térmica de la máquina de Carnot es nc= 1 - TL/TH. En realidad, sin embargo, se debe mantener una diferencia razonable de temperaturas entre los dos medios involucrados en transferencia de calor con objeto de tener una tasa aceptable de transferencia de calor a través de un área finita de superficie de intercambiador de calor. Las tasas de transferencia de calor en este caso se pueden expresar como
donde h y A son el coeficiente de transferencia de calor y el área de superficie de transferencia de calor, respectivamente. Cuando se fijan los valores de h, A, TH y TL, demuestre que la producción de potencia será máxima cuando
6-160 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 a) 11.6 toneladas b) 15.8 toneladas c) 27.1 toneladas d) 30.1 toneladas e) 33.5 toneladas Get solution
6-161 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 a) $0.50 b) $1.60 c) $5.00 d) $11.00 e) $16.00 Get solution
6-162 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 a) 197 W b) 612 W c) 64 W d) 109 W e) 403 W Get solution
6-163 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 a) 1.3 b) 2.6 c) 3.0 d) 3.8 e) 13.9 Get solution
6-164 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 más alta posible de esta máquina térmica es a) 8.0% b) 15.6% c) 20.2% d) 79.8% e) 100% Get solution
6-165 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 a) 25.4 kW b) 55.4 kW c) 74.6 kW d) 95.0 kW e) 100 kW Get solution
6-166 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 a) 1.1 b) 3.8 c) 4.8 d) 5.3 e) 2.9 Get solution
6-167 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 a) 0.45 kJ/s b) 0.78 kJ/s c) 3.0 kJ/s d) 11.6 kJ/s e) 14.6 kJ/s Get solution
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 elevar la temperatura del contenido total de la casa a 22 °C es a) 13.5 min b) 43.1 min c) 138 min d) 18.8 min e) 808 min Get solution
6-169 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 a) 8.1 kW b) 19.7 kW c) 38.6 kW d) 107 kW e) 130 kW Get solution
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 a) 0.58 kW b) 3.20 kW c) 1.56 kW d) 2.26 kW e) 1.64 kW Get solution
6-171 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 a) 0.1 kW b) 0.5 kW c) 1.0 kW d) 2.0 kW e) 5.0 kW Get solution
6-172 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 térmicas de ambas máquinas son iguales, la temperatura del depósito intermedio es a) 625 K b) 800 K c) 860 K d) 453 K e) 758 K Get solution
6-173 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 a) 1.7 b) 2.4 c) 3.4 d) 4.4 e) 5.0 Get solution
6-174 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 a) 952 MJ/año b) 1 749 MJ/año c) 2 448 MJ/año d) 3 427 MJ/año e) 4 048 MJ/año Get solution
6-175 Un acondicionador de aire de ventana que consume 1 kW de electricidad cuando opera y tiene un coeficiente de desempeño de 3, se coloca en medio de un cuarto, y se conecta a la corriente. La tasa de enfriamiento o calefacción que dará este acondicionador de aire al aire en el cuarto cuando opera es a) 3 kJ/s, enfriamiento b) 1 kJ/s, enfriamiento c) 0.33 kJ/s, calefacción d) 1 kJ/s, calefacción e) 3 kJ/s, calefacción Get solution
