8-1C ¿Bajo qué condiciones el trabajo reversible es igual a
la irreversibilidad de un proceso? Get solution
8-2C ¿Qué estado final maximiza la salida de trabajo de un
dispositivo? Get solution
8-3C ¿Es diferente la exergía de un sistema en distintos
ambientes? Get solution
8-4C ¿Cómo se diferencia el trabajo útil del trabajo real?
¿En qué tipo de sistemas son idénticos? Get solution
8-5C Considere un proceso sin irreversibilidades. ¿El trabajo
útil real de este proceso será igual al trabajo reversible? Get solution
8-6C Considere dos pozos geotérmicos cuyos contenidos de
energía se estiman iguales. ¿Las exergías de estos pozos serán
necesariamente iguales? Explique. Get solution
8-7C Considere dos sistemas que están a la misma presión
que el ambiente. El primer sistema está a la misma temperatura
que el ambiente, mientras el segundo está a una temperatura
menor que el ambiente. ¿Cómo compararía las exergías
de estos dos sistemas? Get solution
8-8C Considere un ambiente de presión absoluta cero (como
el espacio exterior). ¿Cómo se compararán el trabajo real y el
trabajo útil en ese ambiente? Get solution
8-9C ¿Cuál es la eficiencia de la segunda ley de termodinámica?
¿En qué se distingue de la eficiencia definida con base
en la primera ley? Get solution
8-101C ¿Una planta de generación eléctrica que tiene una
eficiencia térmica más alta, tiene necesariamente una eficiencia
según la segunda ley también más alta que una planta con
una eficiencia térmica menor? Explique. Get solution
8-11C ¿Un refrigerador que tiene un COP más alto tiene
necesariamente una más alta eficiencia según la segunda ley
que uno con un COP más bajo? Explique. Get solution
8-12C ¿Un proceso para el que el trabajo reversible es cero
puede ser reversible? ¿Puede ser irreversible? Explique. Get solution
8-13C Considere un proceso durante el cual no se genera
entropía (Sgen = 0). ¿La destrucción de exergía para este proceso
tiene que ser cero? Get solution
8-14 Las necesidades de electricidad de una comunidad se
deben satisfacer con molinos de viento con rotores de 20 m
de diámetro. Los molinos de viento se van a colocar donde
el viento sopla establemente a una velocidad promedio de 6
m/s. Determine el número mínimo de molinos de viento que
se necesitan instalar si la producción necesaria de potencia es
900 kW. Get solution
8-15E Se genera vapor de agua saturado en una caldera convirtiendo
un líquido saturado a un vapor saturado a 200 psia.
Esto se hace transfiriendo calor de los gases de combustión,
que están a 500 °F, al agua en los tubos de la caldera. Calcule
el potencial de trabajo desperdiciado asociado con este
proceso de transferencia térmica. ¿Cómo afecta el aumento de
temperatura de los gases de combustión el potencial de trabajo
de flujo de vapor? Tome T0 _=80 °F y P0_=14.7 psia. Get solution
8-16 Un método de satisfacer la demanda adicional de
potencia en los periodos pico es bombear algo de agua de un
gran cuerpo de agua (como un lago) a un depósito de agua a
mayor elevación en los tiempos de baja demanda y generar
electricidad en los tiempos de alta demanda dejando que
esta agua baje y haga girar una turbina (es decir, convertir
la energía eléctrica en energía potencial y luego nuevamente a
energía eléctrica). Para una capacidad de almacenamiento
de energía de 5 X 106 kWh, determine la cantidad mínima de
agua que se necesita almacenar a una elevación promedio
(relativa al nivel del suelo) de 75 m.
Respuesta: 2.45 _ 1010 kg Get solution
8-17 ¿Qué porción de la energía térmica de 100 kJ a 800 K
se puede convertir a trabajo útil? Suponga que el entorno está
a 25 °C. Get solution
8-18 Una máquina térmica que recibe calor de un horno
a 1 200 °C y rechaza calor de desecho a un río a 20 °C tiene
una eficiencia térmica de 40 por ciento. Determine la eficiencia
de la segunda ley de esta planta de potencia. Get solution
8-19 Considere un depósito de energía térmica a 1 500 K
que puede suministrar calor a razón de 150 000 kJ/h. Determine
la exergía de esta energía suministrada, suponiendo una
temperatura ambiente de 25 °C. Get solution
8-20 Una máquina térmica recibe calor de una fuente
a 1.100 K a razón de 400 kJ/s, y rechaza calor
de desecho a un ambiente a 320 K. La producción medida de
potencia de la máquina térmica es de 120 kW, y la temperatura
ambiente es 25 °C. Determine a) la potencia reversible,
b) la tasa de irreversibilidad y c) la eficiencia según la
segunda ley de esta máquina térmica.
Respuestas: a) 284 kW, b) 164 kW, c) 42.3 por ciento Get solution
8-21 Reconsidere el problema 8-20. Usando software
EES (u otro), estudie el efecto de reducir la temperatura
a la que se rechaza el calor de desecho sobre la
potencia reversible, la tasa de irreversibilidad y la eficiencia
según segunda ley al variar la temperatura de rechazo de calor
de 500 a 298 K, y grafique los resultados. Get solution
8-22E Una máquina térmica que rechaza calor de desecho
a un sumidero a 530 R tiene una eficiencia térmica de 36 por
ciento y una eficiencia según la segunda ley de 60 por ciento.
Determine la temperatura de la fuente que suministra calor a
esta máquina. Get solution
8-23 Una casa que pierde calor a razón de 50.000 kJ/h
cuando la temperatura exterior cae a 4 °C se va a calentar por
calefactores de resistencia eléctrica. Si la casa se ha de mantener
a 25 °C todo el tiempo, determine la entrada de trabajo
reversible para este proceso y la irreversibilidad.
Respuestas: 0.978 kW, 12.91 kW Get solution
8-24E Un congelador se mantiene a 20 °F quitándole calor
a razón de 75 Btu/min. La potencia consumida por el congelador
es de 0.70 hp, y el aire del entorno está a 75 °F. Determine
a) la potencia reversible, b) la irreversibilidad y c) la
eficiencia según la segunda ley de este congelador.
Respuestas: a) 0.20 hp, b) 0.50 hp, c) 28.9 por ciento Get solution
8-25 Una planta de generación eléctrica usa agua líquida
geotérmica a 150 °C a razón de 210 kg/s como fuente de
calor, y produce 5.1 MW de potencia neta en un ambiente a
25 °C. Si 7.5 MW de la exergía que entra a la planta con el
agua geotérmica se destruyen dentro de la planta, determine
a) la exergía del agua geotérmica que entra a la planta; b)
la eficiencia según la segunda ley, y c) la exergía del calor
rechazado por la planta. Get solution
8-26 Demuestre que la potencia que produce una turbina de
viento es proporcional al cubo de la velocidad del viento y al
cuadrado del diámetro de envergadura de las aspas. Get solution
8-27C ¿Puede un sistema tener una eficiencia según la segunda
ley más alta que la eficiencia según la primera ley
durante un proceso? Dé ejemplos. Get solution
8-28 Una masa de 8 kg de helio sufre un proceso desde un
estado inicial de 3 m3/kg y 15 °C hasta un estado final de 0.5
m3/kg y 80 °C. Suponiendo que el entorno está a 25 °C y 100
kPa, determine el aumento en el potencial de trabajo útil del
helio durante este proceso. Get solution
8-29E Se expande aire en un sistema adiabático cerrado,
de 150 psia y 100 °F a 15 psia con una eficiencia isentrópica de
expansión de 95 por ciento. ¿Cuál es la eficiencia según la
segunda ley de esta expansión? Tome T0 = 77 °F y P0 = 14.7
psia. Get solution
8-30E ¿Cuál es un recurso más valioso para producción de
trabajo en un sistema cerrado, 15 pies3 de aire a 100 psia y
250 °F o 20 pies3 de helio a 60 psia y 200 °F? Tome T0 =
77 °F y P0 = 14.7 psia. Get solution
8-31 ¿Cuál tiene la capacidad mayor para producir trabajo
en un sistema cerrado, 1 kg de vapor de agua a 800 kPa y
180 °C o 1 kg de R-134a a 800 kPa y 180 °C? Tome T0 = 25 °C
y P0 =100 kPa. Get solution
8-32 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene 5 kg
de refrigerante 134a a 0.7 MPa y 60 °C. El refrigerante
se enfría ahora a presión constante hasta que existe como
líquido a 24 °C. Si el entorno está a 100 kPa y 24 °C, determine
a) la exergía del refrigerante en los estados inicial y
final, y b) la exergía destruida durante el proceso. Get solution
8-33E Un recipiente rígido bien aislado contiene 6 lbm de
vapor húmedo de agua a 35 psia. Inicialmente, tres cuartas
partes de la masa están en fase líquida. Un calentador eléctrico
de resistencia colocado en el recipiente se enciende y se
mantiene encendido hasta que todo el líquido en el recipiente
se vaporiza. Suponiendo que el entorno está a 75 °F y 14.7
psia, determine a) la destrucción de exergía y b) la eficiencia
según la segunda ley para este proceso. Get solution
8-34 Un recipiente rígido está dividido en dos partes iguales
mediante una mampara. Un lado del recipiente contiene 4 kg
de agua líquida comprimida a 200 kPa y 80 °C, y el otro lado
se pone al vacío. Ahora se quita la mampara, y el agua se
expande para llenar todo el recipiente. Si la presión final del
recipiente es de 40 kPa, determine la exergía destruida durante
este proceso. Suponga que el entorno está a 25 °C y 100 kPa.
Respuesta: 10.3 kJ Get solution
8-35 Reconsidere el problema 8-34. Usando software
EES (u otro), estudie el efecto de la presión final en
el recipiente sobre la exergía destruida durante el proceso. Grafique
la exergía destruida como función de la presión final para
presiones finales entre 45 y 5 kPa, y explique los resultados. Get solution
8-36 Un dispositivo aislado de cilindro-émbolo contiene
0.8 L de agua líquida saturada a presión constante de 120 kPa.
Un calentador eléctrico de resistencia dentro del cilindro se
enciende y realiza un trabajo eléctrico sobre el agua en la cantidad
de 1 400 kJ. Suponiendo que el entorno esté a 25 °C y
100 kPa, determine a) el trabajo mínimo con el que podría
realizarse este proceso y b) la exergía destruida durante este
proceso. Get solution
8-37 Reconsidere el problema 8-36. Usando el software
EES (u otro), investigue el efecto de la cantidad
de trabajo eléctrico suministrado al dispositivo sobre el
trabajo mínimo y la exergía que se destruye, al variar el trabajo
eléctrico de 0 a 2.000 kJ, y grafique sus resultados. Get solution
8-38 Un dispositivo aislado de cilindro-émbolo contiene
0.05 m3 de vapor saturado de refrigerante 134a a una presión
de 0.8 MPa. El refrigerante se deja expandir ahora de manera
reversible, hasta que la presión cae a 0.2 MPa. Determine el
cambio en la exergía del refrigerante durante este proceso y
el trabajo reversible. Suponga que el entorno está a 25 °C y
100 kPa. Get solution
8-39E Se comprime gas oxígeno en un dispositivo de cilindro-
émbolo, de un estado inicial de 12 pies3/lbm y 75 °F a un
estado final de 1.5 pies3/lbm y 525 °F. Determine la entrada
de trabajo reversible y el aumento en la exergía del oxígeno
durante este proceso. Suponga que el entorno está a 14.7 psia
y 75 °F. Respuestas: 60.7 Btu/lbm, 60.7 Btu/lbm Get solution
8-40 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene inicialmente
2 L de aire a 100 kPa y 25 °C. El aire se comprime
ahora a un estado final de 600 kPa y 150 °C. La entrada de
trabajo útil es 1.2 kJ. Suponiendo que el entorno está a 100
kPa y 25 °C, determine a) la exergía del aire en los estados
inicial y final; b) el trabajo mínimo que se debe suministrar
para llevar a cabo el proceso de compresión, y c) la eficiencia
según la segunda ley de este proceso. Get solution
8-41 Un recipiente rígido aislado de 1.2 m3 contiene 2.13 kg
de bióxido de carbono a 100 kPa. Ahora se realiza sobre el sistema
trabajo de rueda de paletas hasta que la presión en el recipiente
sube a 120 kPa. Determine a) el trabajo real de rueda de
paletas realizado durante este proceso y b) el trabajo mínimo
de rueda de paletas con el cual se puede realizar este proceso
(entre los dos mismos estados inicial y final). Tome T0 _
298 K. Get solution
8-42 Un dispositivo aislado de cilindro-émbolo contiene inicialmente
20 L de aire a 140 kPa y 27 °C. Ahora se calienta
aire durante 10 minutos mediante un calentador de resistencia
de 100 W colocado dentro del cilindro. La presión del aire se
mantiene constante durante este proceso, y el entorno está a
27 °C y 100 kPa. Determine la exergía destruida durante este
proceso. Respuesta: 19.9 kJ Get solution
8-43 Un recipiente rígido aislado está dividido en dos partes
iguales por una mampara. Inicialmente, una parte contiene 3
kg de gas argón a 300 kPa y 70 °C, y el otro lado está al
vacío. Ahora se quita la mampara y el gas llena todo el recipiente.
Suponiendo que el entorno está a 25 °C, determine la
exergía destruida durante este proceso.
Respuesta: 129 kJ Get solution
8-44E Un bloque de cobre de 55 lbm que está inicialmente
a 180 °F se introduce a un recipiente aislado que contiene 1.2
pies3 de agua a 75 °F. Determine a) la temperatura final de
equilibrio y b) el potencial de trabajo desperdiciado durante el
proceso. Suponga que el entorno está a 75 °F. Get solution
8-45 Un bloque de hierro de masa desconocida a 85 °C se
introduce a un recipiente aislado que contiene 100 L de agua a
20 °C. Al mismo tiempo se activa una rueda de paletas accionada
por un motor de 200 W, para agitar el agua. Se observa
que se establece el equilibrio térmico después de 20 min, con
una temperatura final de 24 °C. Suponiendo que el entorno
está a 20 °C, determine a) la masa del bloque de hierro y b) la
exergía destruida durante este proceso. Get solution
8-46 Un bloque de 50 kg de hierro y un bloque de cobre
de 20 kg, ambos inicialmente a 80 °C, se arrojan a un lago
grande a 15 °C. Se establece el equilibrio térmico después de
un tiempo, como resultado de la transferencia térmica entre
los bloques y el agua del lago. Suponiendo que el entorno está
a 20 °C, determine la cantidad de trabajo que pudo haberse
producido si todo el proceso se hubiera ejecutado de manera
reversible. Get solution
8-47E Un recipiente rígido de 12 pies3 contiene refrigerante
134a a 40 psia y calidad de 55 por ciento. Ahora se transfiere
calor al refrigerante desde una fuente a 120 °F hasta que la presión
se eleva a 60 psia. Suponiendo que el entorno está a 75 °F,
determine a) la cantidad de calor transferido entre la fuente y el
refrigerante, y b) la exergía destruida durante este proceso. Get solution
8-48 Se están enfriando pollos, con masa promedio de 1.6 kg
y calor específico promedio de 3.54 kJ/kg • °C, mediante agua
fría que entra a un enfriador de inmersión de flujo continuo
a 0.5 °C y sale a 2.5 °C. Los pollos se echan en el enfriador
a una temperatura uniforme de 15 °C, a razón de 700 pollos
por hora, y se enfrían a una temperatura promedio de 3 °C
antes de sacarlos. El enfriador gana calor del entorno a razón
de 400 kJ/h. Determine a) la tasa de remoción de calor de los
pollos, en kW, y b) la tasa de destrucción de exergía durante
el proceso de enfriamiento. Considere T0 = 25 °C. Get solution
8-49 Se recuecen bolas de acero al carbono (r _ 7.833 kg/m3
y cp = 0.465 kJ/kg • °C) de 8 mm de diámetro, calentándolas
primero a 900 °C en un horno y luego dejándolas enfriar
lentamente hasta 100 °C al aire ambiente a 35 °C. Si se van a
recocer 1.200 bolas por hora, determine a) la tasa de transferencia
térmica de las bolas al aire y b) la tasa de destrucción
de exergía debida a pérdida de calor de las bolas al aire. Get solution
8-50 Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene inicialmente
0.75 kg de refrigerante 134a a 120 kPa y 20 °C. Ahora
se transfiere calor de 150 °C desde una fuente al refrigerante, y
el émbolo, que descansa en un conjunto de topes, se comienza
a mover cuando la presión interior llega a 140 kPa. La trans
ferencia de calor continúa hasta que la temperatura llega a 90
°C. Suponiendo que el entorno está a 25 °C y 100 kPa, determine
a) el trabajo realizado, b) la transferencia de calor, c) la
exergía destruida y d) la eficiencia según la segunda ley de
este proceso.
Respuestas: a) 1.53 kJ, b) 44.2 kJ, c) 8.94 kJ y d) 31.6 por ciento Get solution
8-51 Un recipiente de 0.04 m3 contiene inicialmente aire a
condiciones ambientes de 100 kPa y 22 °C. Ahora se coloca
dentro del recipiente otro recipiente de 15 litros que contiene
agua líquida a 85 °C, sin que escape aire. Después de algo
de transferencia de calor del agua al aire y al entorno, se
mide la temperatura tanto del aire como del agua y se ve que
es de 44 °C. Determine a) la cantidad de pérdida de calor al
entorno y b) la destrucción de exergía durante este proceso. Get solution
8-52 Entra refrigerante 134a a una válvula de expansión a
1 200 kPa como líquido saturado y sale a 200 kPa. Determine
a) la temperatura del R-134a a la salida de la válvula
de expansión y b) la generación de entropía y la destrucción de
exergía durante este proceso. Considere T0 = 25 °C. Get solution
8-53 Se expande helio en una turbina de 1 500 kPa y 300 °C
a 100 kPa y 25 °C. Determine el trabajo máximo que puede
producir esta turbina, en kJ/kg. ¿El trabajo máximo necesita
una turbina adiabática? Get solution
8-54 Un compresor de 8 kW comprime aire, de una
manera estacionaria, de 100 kPa y 17 °C a 600
kPa y 167 °C, a razón de 2.1 kg/min. Despreciando los cambios
en energías cinética y potencial, determine a) el aumento
en la exergía del aire y b) la tasa de destrucción de exergía
durante este proceso. Suponga que el entorno está a 17 °C. Get solution
8-55 Reconsidere el problema 8-54. Usando software
EES (u otro), resuelva el problema y además
determine la transferencia real de calor, si la hay, y su sentido,
el mínimo suministro de potencia (la potencia reversible) y la
eficiencia según segunda ley del compresor. Luego interprete
los resultados cuando la temperatura de salida se establece,
por ejemplo, igual a 300 °C. Explique los valores de la transferencia
de calor, la exergía destruida y la eficiencia cuando la
temperatura de salida se establece igual a 209.31 °C y el flujo
másico, a 2.466 kg/min. Get solution
8-56 Entra vapor de agua a un difusor adiabático a 500
kPa, 200 °C y 30 m/s, y sale como vapor saturado a 200 kPa.
Calcule la eficiencia según la segunda ley del difusor. Tome
T0 _ 25 °C. Respuesta: 88.4 por ciento Get solution
8-57 Entra aire, de una manera estacionaria, a una tobera a
200 kPa y 65 °C con una velocidad de 35 m/s, y sale a 95 kPa
y 240 m/s. La pérdida de calor de la tobera al entorno a 17 °C
se estima en 3 kJ/kg. Determine a) la temperatura de salida y
b) la exergía destruida durante este proceso.
Respuestas: a) 34 °C, b) 36.9 kJ/kg Get solution
8-58 Reconsidere el problema 8-57. Usando software
EES (u otro), estudie el efecto de variar la velocidad
de salida de la tobera de 100 a 300 m/s tanto sobre la
temperatura de salida como sobre la exergía destruida, y grafique
los resultados. Get solution
8-59 Entra vapor de agua a un difusor a 10 kPa y 50 °C con
una velocidad de 300 m/s y sale como vapor saturado a 50 °C
y 70 m/s. El área de salida del difusor es de 3 m2. Determine
a) el flujo másico del vapor y b) el potencial de trabajo desperdiciado
durante este proceso. Suponga que el entorno está
a 25 °C. Get solution
8-60E Un compresor comprime, de una manera estacionaria,
aire de 14.7 psia y 60 °F a 100 psia y 480 °F a razón de 22
lbm/min. Suponiendo que el entorno está a 60 °F, determine
el suministro mínimo de potencia al compresor. Suponga que el
aire es un gas ideal con calores específicos variables, y desprecie
los cambios en energías cinética y potencial. Get solution
8-61 Entra vapor de agua a una turbina adiabática a 6 MPa,
600 °C y 80 m/s, y sale a 50 kPa, 100 °C y 140 m/s. Si la
producción de potencia de la turbina es de 5 MW, determine
a) la producción de potencia reversible y b) la eficiencia de
la turbina según la segunda ley. Suponga que el entorno está
a 25 °C. Get solution
8-62 Se estrangula vapor de agua de 6 MPa y 400 °C a una
presión de 2 MPa. Determine la disminución en exergía del
vapor durante este proceso. Suponga que el entorno está a
25 °C. Respuesta: 143 kJ/kg Get solution
8-63 Entra dióxido de carbono a un compresor a 100 kPa y
300 K a razón de 0.2 kg/s y sale a 600 kPa y 450 K. Determine
el suministro de potencia al compresor si el proceso no
tiene irreversibilidades. Suponga que el entorno está a 25 °C.
Respuesta: 25.5 kW. Get solution
8-64 Entran gases de combustión a una turbina de gas a 900
°C, 800 kPa y 100 m/s, y salen a 650 °C, 400 kPa y 220 m/s.
Tomando cp = 1.15 kJ/kg • °C y k = 1.3 para los gases de
combustión, determine a) la exergía de los gases de combustión
a la entrada de la turbina y b) la producción de trabajo de la turbina
bajo condiciones reversibles. Suponga que el entorno está
a 25 °C y 100 kPa. ¿Puede esta turbina ser adiabática? Get solution
8-65E Entra refrigerante 134a a un compresor adiabático
como vapor saturado a 30 psia a razón de 20 pies3/min y sale
a una presión de 70 psia. Si la eficiencia isentrópica del compresor
es 80 por ciento, determine a) el suministro real de
potencia y b) la eficiencia según la segunda ley del compresor.
Suponga que el entorno está a 75 °F.
Respuestas: a) 2.85 hp, b) 79.8 por ciento Get solution
8-66 Entra refrigerante 134a a un compresor adiabático a
–26 °C como vapor saturado, a razón de 0.45 m3/min, y sale
a 800 kPa y 50 °C. Determine a) el suministro de potencia al
compresor, b) la eficiencia isentrópica del compresor, y c) la
tasa de destrucción de exergía y la eficiencia del compresor
según la segunda ley. Considere T0 = 27 °C. Get solution
8-67 Get solution
8-68E Refrigerante 22 absorbe calor de un espacio enfriado
a 50 °F cuando fluye por un evaporador de un sistema de
refrigeración. El R-22 entra al evaporador a 10 °F, a razón
de 0.08 lbm/s, con una calidad de 0.3, y sale como vapor saturado
a la misma presión. Determine a) la tasa de enfriamiento
proporcionada en Btu/h, b) la tasa de destrucción de exergía
en el evaporador y c) la eficiencia del evaporador según la
segunda ley. Considere T0 = 77 °F. Las propiedades del R-22
a la entrada y a la salida del evaporador son h1 = 107.5 Btu/
lbm, s1 = 0.2851 Btu/lbm • R, h2 = 172.1 Btu/lbm, s2 =
0.4225 Btu/lbm • R. Get solution
8-69 Un compresor comprime aire de 101 kPa y 27 °C a 400
kPa y 220 °C a razón de 0.15 kg/s. Despreciando los cambios
en energías cinética y potencial y suponiendo que el entorno
está a 25 °C, determine el suministro de potencia reversible
para este proceso. Respuesta: 24.5 kW Get solution
8-70 Reconsidere el problema 8-69. Usando software
EES (u otro), investigue el efecto de la presión
de salida del compresor sobre la potencia reversible. Varíe la
presión de salida del compresor de 200 a 600 kPa, manteniendo
la temperatura de salida a 220 °C. Grafique el suministro
de potencia reversible para este proceso como función de
la presión de salida del compresor. Get solution
8-71 ¿Cuánta exergía se pierde en un recipiente rígido lleno
con 1 kg de R-134a líquido cuya temperatura permanece
constante a 20 °C, al liberar vapor de R-134a del recipiente?
Este recipiente puede intercambiar calor con la atmósfera circundante,
que está a 100 kPa y 20 °C. El vapor se libera hasta
que desaparece lo último del líquido dentro del recipiente. Get solution
8-72E Un contenedor adiabático de 40 pies3 está inicialmente
al vacío. La línea de suministro contiene aire que se
mantiene a 150 psia y 90 °F. La válvula se abre hasta que la
presión en el contenedor es igual a la presión en la línea de
suministro. Determine el potencial de trabajo del aire en este
contenedor cuando se llena. Tome T0 = 80 °F. Get solution
8-73E ¿Cuál es el potencial de trabajo del aire en el contenedor
lleno del problema anterior si se llena de tal manera
que no solamente la presión final, sino también la temperatura
final son iguales a la presión y temperatura en la línea de
suministro? La temperatura del entorno es de 80 °F. Observe
que el contenedor no puede ser adiabático en este caso, y
puede intercambiar calor con el medio ambiente.
Respuesta: 1 110 Btu Get solution
8-74 Se expande vapor de agua, de una manera estacionaria,
en una turbina a razón de 15,000 kg/h, entrando a 8 MPa
y 450 °C, y saliendo a 50 kPa como vapor saturado. Suponiendo
que el entorno está a 100 kPa y 25 °C, determine a)
el potencial de producir potencia del vapor en las condiciones
de entrada y b) la producción de potencia de la turbina si no
hubiera irreversibilidades presentes.
Respuestas: a) 5 515 kW, b) 3 902 kW Get solution
8-75E Entra aire a un compresor en condiciones ambientes
de 15 psia y 60 °F, con una baja velocidad, y sale a 150
psia, 620 °F y 350 pies/s. El compresor se enfría por el aire
ambiente a 60 °F, a razón de 1.500 Btu/min. El suministro de
potencia en el compresor es de 400 hp. Determine a) el flujo
másico de aire y b) la porción del suministro de potencia que
se usa sólo para superar las irreversibilidades. Get solution
8-76 Entran gases calientes de combustión a la tobera de
un motor turbojet a 230 kPa, 627 °C y 60 m/s, y salen a 70
kPa y 450 °C. Suponiendo que la tobera es adiabática y que
el entorno está a 20 °C, determine a) la velocidad de salida y
b) la disminución en la exergía de los gases. Tome k = 1.3 y
cp = 1.15 kJ/kg • °C para los gases de combustión. Get solution
8-77 Usualmente el vapor de agua se acelera en la tobera
de una turbina antes de impactar a los álabes de la turbina. El
vapor de agua entra a una tobera adiabática a 7 MPa y 500
°C, con una velocidad de 70 m/s, y sale a 5 MPa y 450 °C.
Suponiendo que el entorno está a 25 °C, determine a) la velocidad
de salida del vapor, b) la eficiencia isentrópica y c) la
exergía destruida dentro de la tobera. Get solution
8-78 Aire ambiente a 100 kPa y 300 K se comprime isentrópicamente
en un dispositivo de flujo estacionario hasta 1 MPa.
Determine a) el suministro de trabajo al compresor, b) la exergía
del aire a la salida del compresor y c) la exergía del aire
comprimido después de que se ha enfriado a 300 K a una presión
de 1 MPa. Get solution
8-79 Un recipiente rígido de 0.1 m3 contiene inicialmente
refrigerante 134a a 1.2 MPa y calidad de 100 por ciento. El
recipiente está conectado por una válvula a una línea de suministro
que lleva refrigerante 134a a 1.6 MPa y 30 °C. La válvula
se abre ahora para permitir que el refrigerante entre al
tanque, y se cierra cuando el recipiente contiene sólo líquido
saturado a 1.4 MPa. El refrigerante intercambia calor con su
entorno a 45 °C y 100 kPa durante este proceso. Determine a)
la masa del refrigerante que entró al recipiente y b) la exergía
destruida durante este proceso. Get solution
8-80 Un recipiente rígido de 0.6 m3 se llena con agua líquida
saturada a 170 °C. Ahora se abre una válvula en el fondo del
recipiente y se saca la mitad de la masa total del recipiente en
fase líquida. Se transfiere calor al agua desde una fuente a 210
°C, de modo que la temperatura en el recipiente permanece
constante. Determine a) la cantidad de transferencia de calor
y b) el trabajo reversible y la destrucción de exergía para este
proceso. Suponga que el entorno está a 25 °C y 100 kPa.
Respuestas: a) 2.545 kJ, b) 141.2 kJ, 141.2 kJ Get solution
8-81E Un recipiente rígido aislado de 260 pies3 contiene
aire a 40 psia y 180 °F. Se abre una válvula conectada al recipiente
y se permite que escape aire hasta que la presión interior
cae a 20 psia. La temperatura del aire durante este proceso
se mantiene constante mediante un calentador eléctrico de
resistencia colocado en el recipiente. Determine a) el trabajo
eléctrico realizado durante este proceso y b) la destrucción de
exergía. Suponga que el entorno está a 70 °F.
Respuestas: a) 962 Btu, b) 782 Btu Get solution
8-82 Un dispositivo vertical de cilindro-émbolo contiene inicialmente
0.1 m3 de helio a 20 °C. La masa del émbolo es tal
que mantiene una presión interior constante de 300 kPa. Se
abre ahora una válvula y se permite que escape helio hasta
que el volumen interior del cilindro disminuye a la mitad. Hay
transferencia de calor entre el helio y su entorno a 20 °C y
95 kPa, de modo que la temperatura del helio en el cilindro
permanece constante. Determine a) el potencial de trabajo
máximo del helio en el estado inicial, y b) la exergía destruida
durante este proceso. Get solution
8-83 Un recipiente rígido de 0.2 m3 contiene inicialmente
vapor saturado de refrigerante 134a a 1 MPa. El recipiente
está conectado por una válvula a una línea de suministro que
lleva refrigerante 134a a 1.4 MPa y 60 °C. Ahora se abre la
válvula para permitir que el refrigerante entre al recipiente.
La válvula se cierra cuando la mitad del volumen del recipiente
está lleno de líquido y el resto de vapor a 1.2 MPa. El refrigerante
intercambia calor durante este proceso con el entorno a
25 °C. Determine a) la cantidad de transferencia de calor y b)
la destrucción de exergía asociada con este proceso. Get solution
8-84 Un dispositivo vertical aislado de cilindro-émbolo contiene
inicialmente 15 kg de agua, de los cuales 13 kg están en
fase de vapor. La masa del émbolo es tal que mantiene una
presión constante de 300 kPa dentro del cilindro. Ahora se
permite que entre vapor a 2 MPa y 400 °C al cilindro desde
una línea de suministro hasta que todo el líquido en el cilindro
esté vaporizado. Suponiendo que el entorno esté a 25 °C y
100 kPa, determine a) la cantidad de vapor que ha entrado y
b) la exergía destruida durante este proceso.
Respuestas: a) 8.27 kg, b) 2 832 kJ Get solution
8-85 Considere una familia de cuatro de la que cada miembro
toma una ducha de seis minutos cada mañana. El flujo
promedio a través de la regadera es 10 L/min. El agua municipal
a 15 °C se calienta a 55 °C en un calentador eléctrico
de agua y se templa a 42 °C mediante agua fría mezclándose
con ella en la unión de tuberías de forma de una T antes de
dirigirse a la regadera. Determine la cantidad de exergía que
esta familia destruye por año como resultado de sus duchas
diarias. Tome T0 = 25 °C. Get solution
8-86 Agua líquida a 200 kPa y 15 °C se calienta en una
cámara mezclándola con vapor sobrecalentado a 200 kPa y
200 °C. El agua líquida entra a la cámara mezcladora a razón
de 4 kg/s, y se estima que la cámara pierde calor al aire circundante
a 25 °C a razón de 600 kJ/min. Si la mezcla sale de
la cámara mezcladora a 200 kPa y 80 °C, determine a) el flujo
másico del vapor sobrecalentado y b) el potencial de trabajo
desperdiciado durante este proceso de mezclado. Get solution
8-87 Aire exterior (cp = 1.005 kJ/kg • °C) se va a precalentar
mediante gases calientes de escape en un intercambiador
de calor de flujo cruzado antes de que entre al horno. El aire
entra al intercambiador de calor a 101 kPa y 30 °C a razón
de 0.5 m3/s. Los gases de combustión (cp _=1.10 kJ/kg • °C)
entran a 240 °C a razón de 1.1 kg/s y salen a 190 °C. Determine
la tasa de transferencia de calor al aire y la tasa de destrucción
de exergía en el intercambiador de calor. Get solution
8-88 Un intercambiador de calor bien aislado de tipo coraza
y tubos se usa para calentar agua (cp _ 4.18 kJ/kg • °C) en los
tubos de 20 a 70 °C a razón de 4.5 kg/s. El calor lo suministra
aceite caliente (cp _ 2.30 kJ/kg • °C) que entra al lado de la
coraza a 170 °C a razón de 10 kg/s. Despreciando cualquier
pérdida de calor del intercambiador de calor, determine a) la
temperatura de salida del aceite y b) la tasa de destrucción de
exergía en el intercambiador de calor. Tome T0 _ 25 °C. Get solution
8-89E Se debe condensar vapor de agua en el lado de coraza
de un intercambiador de calor a 120 °F. El agua de enfriamiento
entra a los tubos a 60 °F a razón de 115.3 lbm/s y sale
a 73 °F. Suponiendo que el intercambiador de calor está bien
aislado, determine a) la tasa de transferencia de calor en el
intercambiador de calor y b) la tasa de destrucción de exergía
en el intercambiador de calor. Tome T0 _ 77 °F. Get solution
8-90 Entra vapor de agua a una turbina a 12 MPa, 550 °C y
60 m/s, y sale a 20 kPa y 90 m/s con un contenido de humedad
de 5 por ciento. La turbina no está correctamente aislada y se
estima que se pierde calor de la turbina a razón de 220 kW.
La producción de potencia de la turbina es de 4.5 MW. Suponiendo
que el entorno está a 25 °C, determine a) la producción
de potencia reversible de la turbina, b) la exergía destruida
dentro de la turbina y c) la eficiencia según la segunda ley de
la turbina. d) También estime el posible aumento en la producción
de potencia de la turbina si ésta se aislara perfectamente. Get solution
8-91 Entra aire a un compresor a condiciones ambientes de
100 kPa y 20 °C a razón de 4.5 m3/s con baja velocidad, y
sale a 900 kPa, 60 °C y 80 m/s. El compresor se enfría por
agua de enfriamiento que sufre un aumento de temperatura
de 10 °C. La eficiencia isotérmica del compresor es 70 por
ciento. Determine a) los suministros de potencia real y reversible,
b) la eficiencia según la segunda ley y c) el flujo másico
del agua de enfriamiento. Get solution
8-92 Agua líquida a 15 °C se calienta en una cámara mezclándola
con vapor saturado de agua. El agua líquida entra a
la cámara a la presión del vapor saturado, a razón de 4.6 kg/s,
y el vapor saturado entra a razón de 0.23 kg/s. La mezcla sale
de la cámara mezcladora como líquido a 45 °C. Si el entorno
está a 15 °C, determine a) la temperatura del vapor saturado
que entra a la cámara, b) la destrucción de exergía durante
este proceso de mezclado, y c) la eficiencia según la segunda
ley de la cámara mezcladora. Get solution
8-93 Deduzca una expresión para el potencial de trabajo del
contenido de una sola fase de un contenedor adiabático rígido
cuando el contenedor inicialmente vacío se llena por una sola
abertura desde una fuente de fluido de trabajo cuyas propiedades
permanecen fijas. Get solution
8-94E Un refrigerador tiene una eficiencia según la segunda
ley de 28 por ciento, y retira calor del espacio refrigerado a
razón de 800 Btu/min. Si el espacio se mantiene a 25 °F mientras
la temperatura del aire circundante es de 90 °F, determine
el suministro de potencia al refrigerador. Get solution
8-95 Se expande adiabáticamente refrigerante 134a en una válvula
de expansión, de 900 kPa y 30 °C a 120 kPa. Para condiciones
ambientales de 100 kPa y 20 °C, determine a) el potencial
de trabajo del R-134a a la entrada, b) la destrucción de exergía
durante el proceso y c) la eficiencia según la segunda ley. Get solution
8-96 Entra vapor de agua a una tobera adiabática a 3.5 MPa
y 300 °C con una velocidad baja, y sale a 1.6 MPa y 250 °C
a razón de 0.4 kg/s. Si el estado ambiente es de 100 kPa y 18
°C, determine a) la velocidad de salida, b) la tasa de destrucción
de exergía y c) la eficiencia según la segunda ley. Get solution
8-97 Se expande adiabáticamente refrigerante 134a de 1.600
kPa y 80 °C en un sistema cerrado a 100 kPa, con una eficiencia
isentrópica de expansión de 85 por ciento. Determine la
eficiencia según la segunda ley de esta expansión. Tome T0 =
25 °C y P0 = 100 kPa. Get solution
8-98 Se condensa vapor de agua en un sistema cerrado,
a una presión constante de 75 kPa, de vapor saturado a un
líquido saturado rechazando calor a un depósito de energía
térmica a 37 °C. Determine la eficiencia según la segunda ley
de este proceso. Tome T0 = 25 °C y P0= 100 kPa. Get solution
8-99 Se convierte refrigerante 134a de líquido saturado
a vapor saturado en un sistema cerrado, usando un proceso
reversible a presión constante de transferencia de calor de un
depósito térmico a 0 °C. Desde el punto de vista de la segunda
ley, ¿es más eficaz hacer este cambio de fase a 100 kPa o a
200 kPa? Tome T0 = 25 °C y P0=100 kPa. Get solution
8-100 Un radiador eléctrico de 50 L que contiene aceite
de calefacción se coloca en un cuarto bien sellado de 75 m3.
Tanto el aire del cuarto como el aceite del radiador están inicialmente
a la temperatura ambiente de 6 °C. Se conecta ahora
la electricidad, con una potencia nominal de 2.4 kW. También
se pierde calor del cuarto a una tasa promedio de 0.75 kW. El
calefactor se apaga después de cierto tiempo cuando las temperaturas
del aire del cuarto y del aceite se miden como 20 y
60 °C, respectivamente. Tomando la densidad y el calor específico
del aceite como 950 kg/m3 y 2.2 kJ/kg • °C, determine
a) cuánto tiempo se mantiene encendido el calefactor, b) la
destrucción de exergía y c) la eficiencia según la segunda ley
para este proceso. Get solution
8-101 Los gases calientes de escape de un motor de combustión
interna, que salen a 400 °C y 150 kPa a razón de 0.8
kg/s, se van a usar para producir vapor de agua saturado a
200 °C en un intercambiador de calor aislado. El agua entra
al intercambiador de calor a temperatura ambiente a 20 °C,
y los gases de escape salen del intercambiador de calor a 350
°C. Determine a) la razón de producción de vapor, b) la tasa
de destrucción de exergía en el intercambiador de calor y c) la
eficiencia según la segunda ley del intercambiador de calor. Get solution
8-102 Las superficies interna y externa de un vidrio de ventana
de 2 m X 2 m de dimensiones y de 0.5 cm de espesor,
están en invierno a 10 y 3 °C, respectivamente. Si la tasa de
pérdida de calor a través de la ventana es 4.4 kJ/s, determine
la cantidad de pérdida de calor, en kJ, a través del vidrio
durante un periodo de 5 h. También determine la destrucción
de exergía asociada con este proceso. Tome T0 = 5 °C. Get solution
8-103 Una cacerola de aluminio tiene fondo plano de 30 cm
de diámetro. Se transfiere, de una manera estacionaria, calor
al agua hirviendo que hay en esta cacerola, a través del fondo,
a razón de 1 100 W. Si las temperaturas de las superficies
interna y externa del fondo de la cacerola son 104 °C y 105
°C, respectivamente, determine la tasa de destrucción de exergía
dentro del fondo de la cacerola durante este proceso, en
W. Tome T0 = 25 °C. Get solution
8-104 Un lago en un cráter tiene un área de base de 20,000
m2, y la profundidad del agua que contiene es de 12 m. El
suelo que rodea al cráter es casi plano y está 140 m debajo
de la base del lago. Determine la cantidad máxima de trabajo
eléctrico, en kWh, que se puede generar suministrando esta
agua a una planta hidroeléctrica.
Respuesta: 95,500 kWh Get solution
8-105 Un elemento calentador eléctrico de resistencia, de
800 W de potencia y 50 cm de longitud, con diámetro de 0.5
cm, se sumerge en 40 kg de agua que está inicialmente a 20
°C. Suponiendo que el contenedor de agua está bien aislado,
determine cuánto tiempo tardará este calentador en elevar la
temperatura del agua a 80 °C. Determine también el suministro
mínimo de trabajo necesario y la destrucción de exergía
para este proceso, en kJ. Tome T0 = 20 °C. Get solution
8-106 Un tubo de agua caliente con un diámetro exterior de
5 cm y una longitud de 10 m, a 80 °C, está perdiendo calor al
entorno a 5 °C, por convección natural, a razón de 1.175 W.
Determine la tasa a la que se desperdicia el potencial de trabajo
durante este proceso como resultado de la pérdida de calor. Get solution
8-107 Una turbina adiabática opera con aire que entra a 550
kPa y 425 K y sale como vapor saturado a 110 kPa y 325
K. Calcule la eficiencia según la segunda ley de esta turbina.
Tome T0 = 25 °C. Respuesta: 64.0 por ciento Get solution
8-108 Una tobera adiabática maneja vapor de agua que entra
a 300 kPa, 150 °C y 45 m/s y sale como vapor saturado a 150
kPa. Calcule la velocidad de salida real y la máxima. Tome
T0 = 25 °C. Respuestas: 372 m/s, 473 m/s Get solution
8-109E Una turbina de vapor está equipada para que se
extraiga 6 por ciento del vapor de entrada para calentamiento
del agua de alimentación. Se opera con vapor a 500 psia y
600 °F a la entrada, una presión de extracción de 100 psia y
una presión de escape de 5 psia. La eficiencia de la turbina
entre los puntos de entrada y extracción es 97 por ciento, y la
eficiencia entre el punto de extracción y el de escape es de 95
por ciento. Calcule la eficiencia según la segunda ley de esta
turbina. Considere T0 = 77 °F. Get solution
8-110 Para controlar una turbina isentrópica de vapor de agua,
se coloca una válvula de estrangulación en la línea de vapor
que va a la entrada de la turbina. Se suministra vapor a 6 MPa
y 700 °C a la entrada de la válvula, y la presión de escape de la
turbina se ajusta a 70 kPa. ¿Cuál es el efecto sobre la exergía
del flujo a la entrada de la turbina cuando la válvula de estrangulación
está parcialmente cerrada de manera que la presión a
la entrada de la turbina sea de 3 MPa? Compare la eficiencia
según la segunda ley del sistema cuando la válvula está parcialmente
abierta y cuando está totalmente abierta. Tome T0
= 25 °C. Get solution
8-111 Dos recipientes rígidos están conectados por una válvula.
El tanque A está aislado y contiene 0.2 m3 de vapor de
agua a 400 kPa y 80 por ciento de calidad. El recipiente B no
está aislado y contiene 3 kg de vapor de agua a 200 kPa y 250
°C. La válvula se abre ahora, y el vapor fluye del recipiente
A al B hasta que la presión en el recipiente A cae a 300 kPa.
Durante este proceso se transfieren 900 kJ de calor del recipiente
B al entorno a 0 °C. Suponiendo que el vapor que queda
dentro del recipiente A ha sufrido un proceso adiabático reversible,
determine a) la temperatura final en cada recipiente y b) el
potencial de trabajo desperdiciado durante este proceso. Get solution
8-112E Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene inicialmente
8 pies3 de gas helio a 40 psia y 70 °F. El helio se comprime
ahora en un proceso politrópico (Pv n _ constante) a
140 psia y 320 °F. Suponiendo que el entorno está a 14.7 psia
y 70 °F, determine a) el trabajo útil real consumido, y b) el
suministro mínimo de trabajo útil necesario para este proceso.
Respuestas: a) 50.0 Btu, b) 46.3 Btu Get solution
8-113 Entra vapor de agua a 9 MPa y 500 °C a una turbina
adiabática de dos etapas a razón de 15 kg/s. Diez por ciento
del vapor se extrae al final de la primera etapa a una presión
de 1.4 MPa para otro uso. El resto del vapor se sigue expandiendo
en una segunda etapa y sale de la turbina a 50 kPa.
Si la turbina tiene una eficiencia isentrópica de 88 por ciento,
determine el potencial de trabajo desperdiciado durante este
proceso como resultado de las irreversibilidades. Suponga que
el entorno está a 25 °C. Get solution
8-114 Entra vapor de agua a una turbina adiabática de 2 etapas
a 8 MPa y 500 °C. Se expande en la primera etapa a un
estado de 2 MPa y 350 °C. Luego el vapor se recalienta a
presión constante a una temperatura de 500 °C antes de dirigirse
a la segunda etapa, de donde sale a 30 kPa y una calidad
de 97 por ciento. La producción de trabajo de la turbina es 5
MW. Suponiendo que el entorno está a 25 °C, determine la
producción de potencia reversible y la tasa de destrucción de
exergía dentro de esta turbina. Get solution
8-115 Considere un cilindro horizontal bien aislado que
está dividido en dos compartimientos por un émbolo libre
de moverse pero el cual no permite que ninguno de los dos
gases se infiltre al otro lado. Inicialmente, un lado del émbolo
contiene 1 m3 de gas N2 a 500 kPa y 80 °C, mientras el otro
lado contiene 1 m3 de gas He a 500 kPa y 25 °C. Ahora se
establece el equilibrio térmico en el cilindro como resultado
de la transferencia de calor a través del émbolo. Usando calores
específicos a temperatura ambiente, determine a) la temperatura
final de equilibrio en el cilindro y b) el potencial de
trabajo desperdiciado durante este proceso. ¿Cuál sería su respuesta
si el émbolo no tuviera libertad de movimiento? Tome
T0 =25 °C Get solution
8-116 Repita el problema 8-115 suponiendo que el pistón
está hecho de 5 kg de cobre, inicialmente a la temperatura
promedio de los dos gases en ambos lados. Get solution
8-117E Entra gas argón a una turbina adiabática a 1 500 °F
y 200 psia a razón de 40 lbm/min, y sale a 30 psia. Si la producción
de potencia de la turbina es de 95 hp, determine a) la
eficiencia isentrópica y b) la eficiencia según segunda ley de
la turbina. Suponga que el entorno está a 77 °F. Get solution
8-118 En las grandes plantas termoeléctricas, el agua
de alimentación se calienta a menudo en calentadores
de tipo cerrado que son básicamente intercambiadores
de calor, mediante vapor de agua extraído en alguna etapa de
la turbina. El vapor de agua entra al calentador de agua de
alimentación a 1.6 MPa y 250 °C, y sale como líquido saturado
a la misma presión. El agua de alimentación entra al
calentador a 4 MPa y 30 °C, y sale 10 °C por debajo de la
temperatura de salida del vapor. Despreciando cualquier pérdida
de calor de la superficie exterior del calentador, determine
a) la relación de los flujos másicos del vapor extraído y
el agua de alimentación calentada, y b) el trabajo reversible
para este proceso por unidad de masa del agua de alimentación.
Suponga que el entorno está a 25 °C.
Respuestas: a) 0.333, b) 110 kJ/kg Get solution
8-119 Reconsidere el problema 8-118. Usando el software
EES (u otro), investigue el efecto del vapor
de agua a la entrada del calentador de agua de alimentación
sobre la relación de flujos másicos y potencia reversible. Varíe
la presión de extracción del vapor entre 200 y 2 000 kPa.
Trace tanto las relaciones de flujos másicos de vapor extraído
y de agua de alimentación del calentador, como el trabajo
reversible para este proceso por unidad de masa de agua de
alimentación como funciones de la presión de extracción. Get solution
8-120 Para enfriar 1 tonelada de agua a 20 °C en un recipiente
aislado, una persona vierte 80 kg de hielo a _5 °C en
el agua. Determine a) la temperatura final de equilibrio en el
recipiente y b) la exergía destruida durante este proceso. La
temperatura de fusión y el calor latente de fusión del hielo a
presión atmosférica son 0 °C y 333.7 kJ/kg, respectivamente.
Tome T0 _ 20 °C. Get solution
8-121 Una tonelada de agua líquida a 65 °C se introduce
a un cuarto bien aislado y bien sellado de 3 m _ 4 m _ 7
m de dimensiones, que inicialmente está a 16 °C y 100 kPa.
Suponiendo calores específicos constantes tanto para el aire
como para el agua a la temperatura ambiente, determine a) la
temperatura final de equilibrio en el cuarto, b) la destrucción
de exergía y c) la cantidad máxima de trabajo que se puede
producir durante este proceso, en kJ. Tome T0 _ 10 °C. Get solution
8-122 Considere una botella rígida de 12 L al vacío, rodeada
por la atmósfera a 100 kPa y 17 °C. Ahora se abre una válvula
en el cuello de la botella y se deja entrar aire a la botella. El
aire atrapado en la botella llega finalmente al equilibrio térmico
con la atmósfera como resultado de la transferencia de
calor a través de la pared de la botella. La válvula permanece
abierta durante el proceso de modo que el aire atrapado también
llega al equilibrio mecánico con la atmósfera. Determine
la transferencia neta de calor a través de la pared de la botella
y la exergía destruida durante este proceso de llenado. Get solution
8-123 Un dispositivo de cilindro-émbolo sin fricción, que
se muestra en la figura P8-123, contiene inicialmente 0.01 m3
de gas argón a 400 K y 350 kPa. Se transfiere calor al argón
desde un horno a 1 200 K, y el argón se expande isotérmi
camente hasta que su volumen se duplica. No hay ninguna
transferencia térmica entre el argón y el aire atmosférico del
entorno, que está a 300 K y 100 kPa. Determine a) la producción
de trabajo útil, b) la exergía destruida y c) el trabajo
máximo que se puede producir durante este proceso. Get solution
8-124 Dos recipientes de volumen constante, cada uno lleno
con 30 kg de aire, tienen temperaturas de 900 K y 300 K. Una
máquina térmica colocada entre los dos recipientes extrae calor
del recipiente a alta temperatura, produce trabajo y rechaza
calor hacia el recipiente de baja temperatura. Determine el
trabajo máximo que la máquina térmica puede producir y las
temperaturas finales de los recipientes. Suponga calores específicos
constantes a la temperatura ambiente. Get solution
8-125 Un recipiente de volumen constante contiene 20 kg
de nitrógeno a 1.000 K, y un dispositivo de presión constante
contiene 10 kg de argón a 300 K. Una máquina térmica colocada
entre el recipiente y el dispositivo extrae calor del recipiente
de alta temperatura, produce trabajo y rechaza calor al
dispositivo de baja temperatura. Determine el trabajo máximo
que puede producir la máquina térmica y las temperaturas
finales del nitrógeno y del argón. Suponga calores específicos
constantes a la temperatura ambiente. Get solution
8-126 Un cilindro rígido de 50 L de nitrógeno está provisto
de una válvula de alivio de seguridad ajustada a 1,200 kPa.
Inicialmente, este cilindro contiene nitrógeno a 1,200 kPa y
20 °C. Ahora se transfiere calor al nitrógeno desde un depósito
de calor a 500 °C, y se deja escapar nitrógeno hasta que
la masa de nitrógeno es la mitad de la inicial. Determine el
cambio en el potencial de trabajo del nitrógeno como resultado
de este calentamiento. Tome T0 _ 20 °C. Get solution
8-127 Un recipiente rígido de 100 L bien aislado se llena
inicialmente con nitrógeno a 1,000 kPa y 20 °C. Ahora se
abre una válvula y se deja escapar a la mitad de la masa de
nitrógeno. Determine el cambio en el contenido de exergía del
recipiente. Get solution
8-128 Se va a condensar vapor de agua en el condensador
de una planta termoeléctrica a una temperatura de 45 °C con
agua de enfriamiento de un lago cercano que entra a los tubos
del condensador a 12 °C a razón de 330 kg/s y sale a 20 °C.
Suponiendo que el condensador está perfectamente aislado,
determine a) la tasa de condensación del vapor y b) la tasa de
destrucción de exergía en el condensador.
Respuestas: a) 4.61 kg, b) 998 kW Get solution
8-129 El recipiente de almacenamiento de aire comprimido
que se muestra en la figura P8-129 tiene un volumen
de 500,000 m3, y contiene inicialmente aire a 100 kPa y 20
°C. El compresor isentrópico comprime el aire que entra al
compresor a 100 kPa y 20 °C hasta que el recipiente se llena a
600 kPa y 20 °C. Todos los intercambios de calor se realizan
con el aire del entorno a 20 °C. Calcule el cambio en el potencial
de trabajo del aire almacenado en el recipiente. ¿Cómo se
compara esto con el trabajo necesario para comprimir el aire
cuando se estaba llenando el recipiente? Get solution
8-130 El aire almacenado en el recipiente del problema anterior
se libera ahora a través de la turbina isentrópica hasta que
el contenido del recipiente está a 100 kPa y 20 °C. La presión
siempre es de 100 kPa a la salida de la turbina, y todos los
intercambios de calor son con el aire del entorno, que está a
20 °C. ¿Cómo se compara el trabajo total producido por la
turbina con el cambio en el potencial de trabajo del aire en el
recipiente de almacenamiento? Get solution
8-131 Un recipiente de volumen constante tiene una temperatura
de 600 K y un dispositivo de presión constante tiene una
temperatura de 280 K. Tanto el recipiente como el dispositivo
se llenan con 40 kg de aire. Una máquina térmica colocada
entre el recipiente y el dispositivo recibe calor del recipiente
de alta temperatura, produce trabajo y rechaza calor al dispositivo
de baja temperatura. Determine el trabajo máximo que
puede producir la máquina térmica y la temperatura final del
recipiente y del dispositivo. Suponga calores específicos constantes
a la temperatura ambiente. Get solution
8-132E En una planta de manufactura, placas de latón cuadradas,
de 2 pies _ 2 pies de dimensiones y 1.2 pulgadas de
espesor (r = 532.5 lbm/pie3 y cp = 0.091 Btu/lbm • °F), que
inicialmente están a una temperatura uniforme de 75 °F, se
calientan pasándolas por un horno a 1.300 °F a razón de 300
por minuto. Si las placas permanecen en el horno hasta que
su temperatura promedio sube a 1.000 °F, determine la tasa
de transferencia de calor a las placas en el horno y la tasa de
destrucción de exergía asociada con este proceso de transferencia
de calor. Get solution
8-133 Varillas cilíndricas largas de acero (r = 7.833 kg/m3
y cp = 0.465 kJ/kg • °C) de 10 cm de diámetro, se someten a
tratamiento térmico haciéndolas pasar a una velocidad de 3 m/
min por un horno de 6 m de longitud que se mantiene a 900
°C. Si las varillas entran al horno a 30 °C y salen a 700 °C,
determine a) la tasa de transferencia de calor a las varillas en
el horno y b) la tasa de destrucción de exergía asociada con
este proceso de transferencia de calor. Tome T0 = 25 °C. Get solution
8-134 Un intercambiador de calor bien aislado debe calentar
agua (cp = 4.18 kJ/kg • °C) de 25 °C a 60 °C a razón de 0.4
kg/s. El calentamiento se debe hacer mediante agua geotérmica
(cp = 4.31 kJ/kg • °C), disponible a 140 °C a un flujo
másico de 0.3 kg/s. El tubo interior es de pared delgada y
tiene un diámetro de 0.6 cm. Determine a) la tasa de transferencia
de calor, y b) la tasa de destrucción de exergía en el
intercambiador de calor. Get solution
8-135 En una planta de productos lácteos, se pasteuriza
continuamente a 72 °C leche que originalmente está a 4 °C, a
razón de 12 L/s, 24 h/día, 365 días/año. La leche se calienta
a la temperatura de pasteurización mediante agua caliente que se
calienta en una caldera con quemador de gas natural que tiene
una eficiencia de 82 por ciento. La leche pasteurizada se
enfría luego mediante agua fría a 18 °C antes de refrigerarla
finalmente hasta su temperatura inicial de 4 °C. Para ahorrar
energía y dinero, la planta instala un regenerador que
tiene una efectividad de 82 por ciento. Si el costo del gas
natural es $1.04/termia (1 termia =105,500 kJ), determine
cuánta energía y cuánto dinero ahorraría el regenerador para
esta empresa por año, y la reducción anual en destrucción de
exergía. Get solution
8-136 Entran gases de combustión a una turbina de gas a 627
°C y 1.2 MPa a razón de 2.5 kg/s, y salen a 527 °C y 500 kPa.
Se estima que se pierde calor de la turbina a razón de 20 kW.
Usando las propiedades del aire para los gases de combustión
y suponiendo que el entorno está a 25 °C y 100 kPa, determine
a) las producciones de potencia real y reversible de la
turbina, b) la exergía destruida dentro de la turbina y c) la eficiencia
según la segunda ley de la turbina. Get solution
8-137 Entra refrigerante 134a a un compresor adiabático
a 160 kPa, sobrecalentado en 3 °C, y sale a 1.0 MPa. Si el
compresor tiene una eficiencia según la segunda ley de 80
por ciento, determine a) el suministro real de trabajo, b) la
eficiencia isentrópica y c) la destrucción de exergía. Tome la
temperatura del entorno como 25 °C. Get solution
8-138 Entra agua a una bomba a 100 KPa y 30 °C a razón
de 1.35 kg/s, y sale a 4 MPa. Si la bomba tiene una eficiencia
isentrópica de 70 por ciento, determine a) el suministro real
de trabajo, b) la tasa de calentamiento friccional, c) la destrucción
de exergía y d) la eficiencia según segunda ley para una
temperatura de entorno de 20 °C. Get solution
8-139 Se expande gas argón de 3.5 MPa y 100 °C a 500
kPa en una válvula adiabática de expansión. Para condiciones
ambientales de 100 kPa y 25 °C, determine a) la exergía del
argón a la entrada, b) la destrucción de exergía durante el proceso
y c) la eficiencia según segunda ley. Get solution
8-140 Entra gas nitrógeno a un difusor a 100 kPa y 110
°C con velocidad de 205 m/s, y sale a 110 kPa y 45 m/s. Se
estima que se pierden 2.5 kJ/kg de calor del difusor al entorno
a 100 kPa y 27 °C. El área de salida del difusor es 0.04 m2.
Teniendo en cuenta la variación de los calores específicos con
la temperatura, determine a) la temperatura de salida, b) la
tasa de destrucción de exergía y c) la eficiencia según segunda
ley del difusor. Get solution
8-141 ¿Puede ser negativa la exergía de un sistema cerrado?
¿Y la exergía de flujo? Explique usando como ejemplo una
sustancia incompresible. Get solution
8-142 Obtenga una ecuación para el cálculo de la eficiencia
según segunda ley de una máquina térmica que recibe el calor
QH de una fuente a temperatura TH y rechaza el calor QL a
un sumidero a TL, que es mayor que T0 (la temperatura del
entorno), produciendo trabajo en la cantidad W. Get solution
8-143 Escribiendo las ecuaciones de primera y segunda leyes
y simplificándolas, obtenga la ecuación para el cálculo de trabajo
reversible de un sistema cerrado que intercambia calor
con un medio circundante a T0 en la cantidad de Q0, así como
con un depósito térmico a TD en la cantidad de QD. (Pista:
Elimine Q0 entre las dos ecuaciones.) Get solution
8-144 Escribiendo las ecuaciones de primera y segunda leyes
y simplificándolas, obtenga la ecuación para el cálculo de trabajo
reversible de un sistema de flujo estacionario que intercambia
calor con un medio circundante a T0 en la cantidad de
Q0, así como con un depósito térmico a TD en la cantidad de
QR. (Pista: Elimine Q0 entre las dos ecuaciones.) Get solution
8-145 Escribiendo las ecuaciones de primera y segunda leyes
y simplificándolas, obtenga la ecuación para el cálculo de trabajo
reversible de un sistema de flujo uniforme que intercambia
calor con el entorno a T0 en la cantidad de Q0, así como
con un depósito térmico a TD en la cantidad de QD. (Pista:
Elimine Q0 entre las dos ecuaciones.) Get solution
8-146 Se pierde calor a través de una pared plana, de una
manera estacionaria, a razón de 800 W. Si las temperaturas de
las superficies interior y exterior de la pared son 20 y 5 °C,
respectivamente, y la temperatura ambiente es 0 °C, la tasa de
destrucción de exergía dentro de la pared es
a) 40 W b) 17 500 W c) 765 W
d) 32 800 W e) 0 W Get solution
8-147 Entra agua líquida a un sistema adiabático de tuberías
a 15 °C, a razón de 3 kg/s. Se observa que la temperatura del
agua se eleva en 0.3 °C en el tubo debido a la fricción. Si la
temperatura ambiente es también de 15 °C, la tasa de destrucción
de exergía en el tubo es
a) 3.8 kW b) 24 kW c) 72 kW
d) 98 kW e) 124 kW Get solution
8-148 Una máquina térmica recibe calor de una fuente a
1.500 K a una razón de 600 kJ/s y rechaza calor a un sumidero
a 300 K. Si la producción de potencia de la máquina es
de 400 kW, la eficiencia según segunda ley de esta máquina
térmica es
a) 42% b) 53% c) 83%
d) 67% e) 80% Get solution
8-149 Un depósito de agua contiene 100 toneladas del agua
a una elevación promedio de 60 m. La cantidad máxima de
potencia eléctrica que se puede generar mediante esta agua es
a) 8 kWh b) 16 kWh c) 1 630 kWh
d) 16 300 kWh e) 58 800 kWh Get solution
8-150 Una casa se mantiene a 21 °C en invierno mediante
calefactores eléctricos de resistencia. Si la temperatura exterior
es de 9 °C, la eficiencia según segunda ley del calentador
de resistencia es
a) 0% b) 4.1% c) 5.7%
d) 25% e) 100% Get solution
8-151 Un sólido de 12 kg cuyo calor específico es 2.8 kJ/
kg • °C está a una temperatura uniforme de _10 °C. Para una
temperatura ambiente de 20 °C, el contenido de exergía de
este sólido es
a) Menor que cero b) 0 kJ c) 4.6 kJ
d) 55 kJ e) 1 008 kJ Get solution
8-152 Teniendo en cuenta las limitaciones impuestas por la
segunda ley de la termodinámica, elija la afirmación errónea
de las siguientes:
a) Una máquina térmica no puede tener una eficiencia térmica
de 100 por ciento.
b) Para todos los procesos reversibles, la eficiencia según
segunda ley es 100 por ciento.
c) La eficiencia según segunda ley de una máquina térmica
no puede ser mayor que su eficiencia térmica.
d) La eficiencia según segunda ley de un proceso es 100 por
ciento si no se genera entropía durante ese proceso.
e) El coeficiente de desempeño de un refrigerador puede ser
mayor que 1. Get solution
8-153 Un horno puede suministrar calor, de una manera
estacionaria, a 1.300 K a razón de 500 kJ/s. La máxima cantidad
de potencia que se puede producir usando el calor suministrado
por este horno en un entorno a 300 K es
a) 115 kW b) 192 kW c) 385 kW
d) 500 kW e) 650 kW Get solution
8-154 Se estrangula aire de 50 °C y 800 kPa a una presión
de 200 kPa a razón de 0.5 kg/s en un entorno a 25 °C. El cambio
en energía cinética es despreciable, y no ocurre transferencia
térmica durante el proceso. El potencial de potencia que se
desperdicia durante este proceso es
a) 0 b) 0.20 kW c) 47 kW
d) 59 kW e) 119 kW Get solution
8-155 Entra vapor de agua, de una manera estacionaria, a
una turbina a 4 MPa y 400 °C y sale a 0.2 MPa y 150 °C en
un entorno a 25 °C. La disminución en la exergía del vapor al
fluir por la turbina es
a) 58 kJ/kg b) 445 kJ/kg c) 458 kJ/kg
d) 518 kJ/kg e) 597 kJ/kg Get solution
