9-1C ¿Cómo se compara, en general, la eficiencia térmica
de un ciclo ideal con la de uno de Carnot que opera entre los
mismos límites de temperatura? Get solution
9-2C ¿Qué representa el área encerrada por un ciclo en un
diagrama P-v? ¿Qué pasa en el caso de un diagrama T-s? Get solution
9-3C ¿Qué son las suposiciones de aire estándar? Get solution
9-4C ¿Cuál es la diferencia entre las suposiciones de aire
estándar y las de aire estándar frío? Get solution
9-5C ¿Cuál es la diferencia entre el volumen de espacio
libre y el volumen desplazado de los motores reciprocantes? Get solution
9-6C Defina la relación de compresión para motores reciprocantes. Get solution
9-7C ¿Cómo se define la presión media efectiva para motores
reciprocantes? Get solution
9-8C ¿La presión media efectiva en un motor de automóvil
en operación puede ser menor que la presión atmosférica? Get solution
9-9C Cuando un carro se vuelve viejo, ¿cambia su relación
de compresión? ¿Qué sucede con la presión media efectiva? Get solution
9-10C ¿Cuál es la diferencia entre los motores de encendido
por chispa y los de encendido por compresión? Get solution
9-11C Defina los siguientes términos relacionados con motores
reciprocantes: carrera, calibre, punto muerto superior y
volumen de espacio libre. Get solution
9-12E ¿Cuál es la eficiencia térmica máxima posible de un
ciclo de potencia de gas cuando se usan depósitos de energía
térmica a 940 °F y 40 °F? Get solution
9-13 Se ejecuta un ciclo de aire estándar con calores específicos
constantes en un sistema cerrado de cilindro-émbolo, y
está compuesto de los siguientes tres procesos:
1-2 Compresión isentrópica, con una relación de compresión
r = 6, T1 = 27 °C y P1 = 100 kPa.
2-3 Adición de calor a presión constante.
3-1 Rechazo de calor a volumen constante.
Suponga que el aire tiene propiedades constantes con cv = 0.718
kJ/kg _ K, cp = 1.005 kJ/kg _ K, R = 0.287 kJ/kg _ K y k = 1.4.
a) Trace los diagramas P-v y T-s para este ciclo.
b) Determine la relación de trabajo de retroceso para este
ciclo. Get solution
9-14 Se ejecuta un ciclo de aire estándar dentro de un sistema
cerrado de cilindro-émbolo, y consiste en tres procesos
como sigue:
1-2 Adición de calor con V = constante de 100 kPa y 27 °C
a 700 kPa.
2-3 Expansión isotérmica hasta que V3 = 7V2.
3-1 Rechazo de calor al estado inicial con P = constante.
Suponga que el aire tiene propiedades constantes con cv = 0.718
kJ/kg _ K, cp = 1.005 kJ/kg _ K, R = 0.287 kJ/kg _ K y k = 1.4.
a) Muestre el ciclo sobre los diagramas P-v y T-s.
b) Determine la relación de trabajo de compresión al de
expansión (relación de trabajo de retroceso).
c) Determine la eficiencia térmica del ciclo.
Respuestas: b) 0.440, c) 26.6 por ciento Get solution
9-15 Un ciclo de potencia con gas ideal se lleva a cabo dentro
de un sistema cerrado de émbolo-cilindro, y consiste en
tres procesos como sigue:
1-2 Compresión isentrópica desde una temperatura inicial de
27 °C , con una relación de compresión de 6.
2-3 Expansión isotérmica (a temperatura constante) al volumen
inicial.
3-1 Rechazo de calor a volumen constante al estado inicial.
Suponga que el gas tiene propiedades constantes con cv = 0.6
kJ/kg _ K, cp = 0.9 kJ/kg _ K, R = 0.3 kJ/kg _ K y k = 1.5.
a) Trace los diagramas P-v y T-s para el ciclo.
b) Determine la temperatura máxima del ciclo, en K.
c) Calcule el trabajo de expansión, en kJ/kg.
d) Calcule el trabajo de compresión, en kJ/kg.
e) Calcule la eficiencia térmica del ciclo. Get solution
9-16 Un ciclo de aire estándar con calores específicos variables
se ejecuta en un sistema cerrado y está compuesto de los
siguientes cuatro procesos:
1-2 Compresión isentrópica de 100 kPa y 22 °C a 600 kPa
2-3 Adición de calor a v _ constante hasta 1 500 K
3-4 Expansión isentrópica hasta 100 kPa
4-1 Rechazo de calor a P _ constante hasta el estado inicial
a) Muestre el ciclo en diagramas P-v y T-s.
b) Calcule la salida neta de trabajo por unidad de masa.
c) Determine la eficiencia térmica. Get solution
9-17 Reconsidere el problema 9-16 y use el software
EES (u otro) para estudiar el efecto que produce
variar la temperatura después de la adición de calor a volumen
constante de 1 500 K hasta 2 500 K. Grafique la salida neta de
trabajo y la eficiencia térmica como función de la temperatura
máxima del ciclo. Grafique los diagramas T-s y P-v para el
ciclo cuando la máxima temperatura de éste es 1 500 K. Get solution
9-18 Un ciclo de aire estándar se ejecuta en un sistema
cerrado con 0.004 kg de aire y consiste de los siguientes tres
procesos:
1-2 Compresión isentrópica de 100 kPa y 27 °C hasta 1 MPa
2-3 Adición de calor a P _ constante en la cantidad de
2.76 kJ
3-1 Rechazo de calor a P _ c1v + c2 hasta el estado inicial
(c1 y c2 son constantes)
a) Muestre el ciclo en diagramas P-v y T-s.
b) Calcule el calor rechazado.
c) Determine la eficiencia térmica.
Suponga calores específicos constantes a temperatura ambiente.
Respuestas: b) 1.679 kJ, c) 39.2 por ciento Get solution
9-19E Un ciclo de aire estándar con calores específicos
variables se ejecuta en un sistema cerrado y se compone de
los siguientes cuatro procesos:
1-2 Adición de calor a v _ constante de 14.7 psia y 80 °F
en la cantidad de 300 Btu/lbm
2-3 Adición de calor a P _ constante hasta 3 200 R
3-4 Expansión isentrópica hasta 14.7 psia
4-1 Rechazo de calor a P _ constante hasta el estado inicial
a) Muestre el ciclo en diagramas P-v y T-s.
b) Calcule la entrada de calor total por unidad de masa.
c) Determine la eficiencia térmica.
Respuestas: b) 612.4 Btu/lbm, c) 24.2 por ciento Get solution
9-20E Repita el problema 9-19E y use calores específicos
constantes a temperatura ambiente. Get solution
9-21 Considere un ciclo de Carnot ejecutado en un sistema
cerrado con 0.6 kg de aire. Los límites de temperatura del
ciclo son 300 y 1 100 K, y las presiones mínima y máxima
que ocurren durante el ciclo son 20 y 3.000 kPa. Suponiendo
calores específicos constantes, determine la producción neta
de trabajo por ciclo. Get solution
9-22 Considere un ciclo de Carnot ejecutado en un sistema
cerrado con aire como fluido de trabajo. La presión máxima
en el ciclo es 800 kPa y la temperatura máxima es 750 K. Si
el decremento de entropía durante el proceso de rechazo isotérmico
de calor es 0.25 kJ/kg • K, y la producción neta de trabajo
es 100 kJ/kg, determine a) la presión mínima en el ciclo,
b) el rechazo de calor en el ciclo y c) la eficiencia térmica del
ciclo. d) Si un ciclo real de máquina térmica opera entre los
mismos límites de temperatura y produce 5.200 kW de potencia
para un flujo de aire de 90 kg/s, determine la eficiencia
según la segunda ley en este ciclo. Get solution
9-23 Un ciclo de Carnot de gas ideal usa aire como fluido
de trabajo, recibe calor de un depósito térmico a 1.027 °C, se
repite 1.500 veces por minuto y tiene una relación de compresión
de 12. La relación de compresión se define como la relación
de volúmenes durante el proceso de compresión isentrópica.
Determine la temperatura máxima del depósito térmico
de baja temperatura, la eficiencia térmica del ciclo y la cantidad
de calor que se debe suministrar por ciclo si este dispositivo
ha de producir 500 kW de potencia.
Respuestas: 481 K, 63.0 por ciento, 31.8 kJ Get solution
9-24 Un dispositivo de émbolo-cilindro contiene un gas
ideal, y sufre un ciclo de potencia como sigue:
1-2 Compresión isentrópica desde una temperatura inicial
T1 = 20 °C, con una relación de compresión r = 5.
2-3 Adición de calor a presión constante.
3-1 Rechazo de calor a volumen constante.
El gas tiene calores específicos constantes con cv = 0.7 kJ/
kg • K, y R = 0.3 kJ/kg • K.
a) Trace los diagramas P-v y T-s para el ciclo.
b) Determine las interacciones de calor y trabajo para cada
proceso, en kJ/kg.
c) Determine la eficiencia térmica del ciclo.
d) Obtenga la expresión para la eficiencia térmica del ciclo
como función de la relación de compresión r y la relación
de calores específicos k. Get solution
9-25C ¿Cómo se relacionan las rpm de un motor real de cuatro
tiempos con el número de ciclos termodinámicos? ¿Cuál
sería su respuesta para un motor de dos tiempos? Get solution
9-26C ¿Cómo se comparan las eficiencias del ciclo ideal
de Otto y el ciclo de Carnot para los mismos límites de temperatura?
Explique. Get solution
9-27C ¿Cuáles son los cuatro procesos que constituyen el
ciclo de Otto ideal? Get solution
9-28C ¿Los procesos que constituyen el ciclo de Otto se
analizan como procesos de sistema cerrado o flujo estable?
¿Por qué? Get solution
9-29C ¿Cómo cambia la eficiencia térmica de un ciclo
ideal de Otto con la relación de compresión del motor y la
relación de calores específicos del fluido de trabajo? Get solution
9-30C ¿Por qué no se usan altas relaciones de compresión
en motores de ignición por chispa? Get solution
9-31C Un ciclo ideal de Otto con una relación de compresión
especificada se ejecuta usando a) aire, b) argón, c) etano
como fluido de trabajo. ¿Para cuál caso será la eficiencia térmica
la más alta? ¿Por qué? Get solution
9-32C ¿Cuál es la diferencia entre los motores de gasolina
con inyección de combustible y los motores diesel? Get solution
9-33 Un ciclo ideal de Otto tiene una relación de compresión
de 10.5, admite aire a 90 kPa y 40 °C y se repite 2 500
veces por minuto. Usando calores específicos constantes a
temperatura ambiente, determine la eficiencia térmica de este
ciclo y la tasa de suministro de calor si el ciclo ha de producir
90 kW de potencia. Get solution
9-34 Repita el problema 9-33 para una relación de compresión
de 8.5. Get solution
9-35 Alguien ha sugerido que el ciclo de Otto de aire estándar
es más preciso si los dos procesos isentrópicos se reemplazan
por procesos politrópicos con un exponente politrópico
n = 1.3. Considere un ciclo así con una relación de compresión
de 8, P1 = 95 kPa, T1 = 15 °C, y la temperatura máxima del
ciclo es 1 200 °C. Determine el calor que se transfiere a este
ciclo y que se rechaza de éste, así como la eficiencia térmica
del ciclo. Use calores específicos constantes a temperatura
ambiente. Respuestas: 835 kJ/kg, 420 kJ/kg, 49.8 por ciento. Get solution
9-36 ¿Cómo cambian los resultados del problema 9-35
cuando se usan procesos isentrópicos en lugar de los procesos
politrópicos? Get solution
9-37E Un motor de ignición de seis cilindros, cuatro tiempos,
con encendido por chispa, operando en el ciclo ideal de
Otto, toma aire a 14 psia y 65 °F, y está limitado a una temperatura
máxima de ciclo de 1 600 °F. Cada cilindro tiene un
diámetro de 3.5 pulg, y cada émbolo tiene una carrera de 3.9
pulg. El volumen mínimo confinado es 14 por ciento del volumen
máximo confinado. ¿Cuánta potencia producirá este motor
cuando opera a 2 500 rpm? Use calores específicos constantes a
temperatura ambiente. Get solution
9-38E Un motor de ignición por chispa tiene una relación
de compresión de 8, una eficiencia isentrópica de compresión de
85 por ciento y una eficiencia isentrópica de expansión de 95
por ciento. Al principio de la compresión, el aire en el cilindro
está a 13 psia y 60 °F. La temperatura máxima que se encuentra
por medición es 2.300 °F. Determine el calor suministrado
por unidad de masa, la eficiencia térmica y la presión efectiva
media de este motor cuando se modela con el ciclo de Otto.
Use calores específicos constantes a temperatura ambiente.
Respuestas: 247 Btu/lbm, 47.5 por ciento, 49.0 psia Get solution
9-39 La relación de compresión de un ciclo de Otto de aire
estándar es 9.5. Antes del proceso de compresión isentrópica,
el aire está a 100 kPa, 35 °C y 600 cm3. La temperatura al final
del proceso de expansión isentrópica es de 800 K. Usando valores
de calores específicos a temperatura ambiente, determine
a) la temperatura más alta y la presión más alta en el ciclo;
b) la cantidad de calor transferido al fluido de trabajo, en kJ;
c) la eficiencia térmica, y d) la presión media efectiva.
Respuestas: a) 1.969 K, 6.072 kPa; b) 0.59 kJ; c) 59.4 por ciento;
d) 652 kPa Get solution
9-40 Repita el problema 9-39, pero reemplace el proceso de
expansión isentrópica por un proceso de expansión politrópica
con el exponente de expansión politrópica n _ 1.35. Get solution
9-41E Un ciclo de Otto ideal con aire como fluido de trabajo
tiene una relación de compresión de 8. Las temperaturas
mínima y máxima del ciclo son 540 y 2.400 R. Teniendo en
cuenta la variación de calores específicos con la temperatura,
determine a) la cantidad de calor transferido al aire durante
el proceso de adición de calor, b) la eficiencia térmica y c) la
eficiencia térmica de un ciclo de Carnot que opera entre los
mismos límites de temperatura. Get solution
9-42E Repita el problema 9-41E usando argón como fluido
de trabajo. Get solution
9-43 Un motor de gasolina de cuatro cilindros y cuatro tiempos,
de 1.6 L, opera en ciclo de Otto con una relación de compresión
de 11. El aire está a 100 kPa y 37 °C al inicio del proceso
de compresión, y la presión máxima en el ciclo es de 8
MPa. Los procesos de compresión y expansión pueden modelarse
como politrópicos, con una constante politrópica de 1.3.
Usando calores específicos constantes a 850 K, determine a) la
temperatura al final del proceso de expansión, b) la producción
neta de trabajo y la eficiencia térmica, c) la presión media efectiva,
d) el número de revoluciones por minuto del motor para
una producción de potencia neta de 50 kW y e) el consumo
específico de combustible, en g/kWh, definido como la relación
de la masa de combustible consumido al trabajo neto producido.
La relación aire-combustible, definida como la cantidad de aire
dividida entre la cantidad de combustible admitido, es 16. Get solution
9-44 Cuando se duplica la relación de compresión de un
ciclo ideal de Otto, ¿qué sucede con la temperatura máxima y
la presión máxima del gas cuando el estado del aire al principio
de la compresión y la cantidad de adición de calor permanecen
iguales? Use calores específicos constantes a temperatura
ambiente. Get solution
9-45 En un motor de ignición por chispa, ocurre algo de
enfriamiento al expandirse el gas. Esto se puede modelar
usando un proceso politrópico en lugar del proceso isentrópico.
Determine si el exponente politrópico utilizado en este modelo
debe ser mayor o menor que el exponente isentrópico. Get solution
9-46C ¿En qué se distingue un motor diesel de uno de gasolina? Get solution
9-47C ¿En qué se distingue el ciclo ideal Diesel del ciclo
ideal de Otto? Get solution
9-48C Para una relación especificada de compresión, ¿es
más eficiente un motor diesel o uno de gasolina? Get solution
9-49C ¿Cuáles motores operan a relaciones de compresión
más alta: los motores diesel o los de gasolina? ¿Por qué? Get solution
9-50C ¿Cuál es la relación de cierre de admisión? ¿Cómo
afecta la eficiencia térmica de un ciclo Diesel? Get solution
9-51 Un ciclo Diesel ideal tiene una relación de compresión
de 20 y una relación de cierre de admisión de 1.3. Determine
la temperatura máxima del aire y la tasa de adición de calor a
este ciclo cuando produce 250 kW de potencia y el estado del
aire al inicio de la compresión es 90 kPa y 15 °C. Use calores
específicos constantes a temperatura ambiente. Get solution
9-52E Un ciclo Diesel ideal tiene una temperatura máxima
de ciclo de 2.300 °F y una relación de cierre de admisión de
1.4. El estado del aire al principio de la compresión es P1
_ 14.4 psia y T1 _ 50 °F. Este ciclo se ejecuta en motor de
cuatro tiempos, de ocho cilindros, con un diámetro interior
de cilindro de 4 pulg y una carrera de pistón de 4 pulg. El
volumen mínimo confinado en el cilindro es 4.5 por ciento
del volumen máximo del cilindro. Determine la potencia que
produce este motor cuando opera a 1.800 rpm. Use calores
específicos constantes a temperatura ambiente. Get solution
9-53 Un ciclo dual de aire estándar tiene una relación de
compresión de 14 y una relación de cierre de admisión de 1.2.
La relación de presiones durante el proceso de adición de calor
a volumen constante es 1.5. Determine la eficiencia térmica, la
cantidad de calor agregada y la presión y la temperatura máximas
del gas cuando se opera este ciclo a 80 kPa y 20 °C al
principio de la compresión. Use calores específicos constantes a
temperatura ambiente. Get solution
9-54 Repita el problema 9-53 si la relación de compresión
es 80 kPa y –20 °C. Get solution
9-55E Un ciclo Diesel de aire estándar tiene una relación de
compresión de 18.2. El aire está a 80 °F y 14.7 psia al inicio
del proceso de compresión, y a 3.000 R al final del proceso de
adición de calor. Tomando en cuenta las variaciones de calores
específicos con la temperatura, determine a) la relación de
cierre de admisión, b) el rechazo de calor por unidad de masa
y c) la eficiencia térmica. Get solution
9-56E Repita el problema 9-55E usando calores específicos
constantes a temperatura ambiente. Get solution
9-57 Un motor ideal Diesel tiene una relación de compresión
de 20 y usa aire como fluido de trabajo. El estado del aire
al principio del proceso de compresión es 95 kPa y 20 °C. Si
la temperatura máxima en el ciclo no ha de exceder 2.200 K,
determine a) la eficiencia térmica y b) la presión efectiva media.
Suponga calores específicos constantes para el aire a temperatura
ambiente. Respuestas: a) 63.5 por ciento, b) 933 kPa Get solution
9-58 Repita el problema 9-57 pero reemplace el proceso de
expansión isentrópica por un proceso de expansión politrópica,
con el exponente politrópico n _ 1.35. Get solution
9-59 Reconsidere el problema 9-58. Usando software
EES (u otro), estudie el efecto de variar la relación
de compresión de 14 a 24. Grafique la producción neta de trabajo,
la presión media efectiva y la eficiencia térmica como
función de la relación de compresión. Trace los diagramas T-s y
P-v para el ciclo cuando la relación de compresión es 20. Get solution
9-60 Un motor diesel de cuatro cilindros, de dos tiempos, de
2.0 L, que opera en un ciclo Diesel ideal tiene una relación
de compresión de 22 y una relación de cierre de admisión de
1.8. El aire está a 70 °C y 97 kPa al principio del proceso
de compresión. Usando las suposiciones de aire estándar frío,
determine cuánta potencia entregará el motor a 2 300 rpm. Get solution
9-61 Repita el problema 9-60 usando nitrógeno como fluido
de trabajo. Get solution
9-62 Un ciclo dual de aire estándar tiene una relación de
compresión de 18 y una relación de cierre de admisión de 1.1.
La relación de presiones durante el proceso de adición de calor
a volumen constante es 1.1. Al principio de la compresión
P1 _ 90 kPa, T1 _ 18 °C y V1 _ 0.003 m3. ¿Cuánta potencia
producirá este ciclo cuando se ejecute 4.000 veces por
minuto? Use calores específicos constantes a temperatura
ambiente. Get solution
9-63 Repita el problema 9-62 si la eficiencia isentrópica
de compresión es 85 por ciento y la eficiencia isentrópica de
expansión es 90 por ciento. Respuesta: 9.26 kW Get solution
9-64E Un ciclo dual ideal tiene una relación de compresión
de 15 y una relación de cierre de admisión de 1.4. La
relación de presiones durante el proceso de adición de calor
a volumen constante es 1.1. El estado del aire al inicio de la
compresión es P1 _ 14.2 psia y T1 _ 75 °F. Calcule el trabajo
neto espe-cífico del ciclo, la adición específica de calor
y la eficiencia térmica. Use calores específicos constantes a
temperatura ambiente. Get solution
9-65 Un motor de ignición por compresión de seis cilindros,
cuatro tiempos, 3.2 L, opera en un ciclo Diesel ideal con una
relación de compresión de 19. El aire está a 95 kPa y 67 °C
al inicio del proceso de compresión y la velocidad de rotación
del motor es de 1 750 rpm. El motor usa diesel ligero con un
poder calorífico de 42,500 kJ/kg, una relación aire-combustible
de 28 y una eficiencia de combustión de 98 por ciento.
Usando calores específicos constantes a 850 K, determine
a) la temperatura máxima en el ciclo y la relación de cierre de
admisión, b) la producción neta de trabajo por ciclo y la eficiencia
térmica, c) la presión media efectiva, d) la producción
neta de potencia y e) el consumo específico de combustible,
en g/kWh, definido como la relación de la masa de combustible
consumido al trabajo neto producido.
Respuestas: a) 2.244 K, 2.36, b) 2.71 kJ, 57.4 por ciento, c) 847 kPa,
d) 39.5 kW, e) 151 g/kWh Get solution
9-66 Desarrolle una expresión para la relación de cierre de
admisión rc que la exprese en términos de qentrada/(cpT1rk_1)
para un ciclo Diesel de aire estándar. Get solution
9-67 Desarrolle una expresión para la eficiencia térmica
de un ciclo dual cuando se opera de tal manera que rc _ rp
donde rc es la relación de cierre de admisión y rp es la relación
de presiones durante el proceso de adición de calor a
volumen constante. ¿Cuál es la eficiencia térmica de un motor
así cuando la relación de compresión es 20 y rp _ 2? Get solution
9-68 ¿Cómo se puede cambiar rp en el problema 9-67 de
modo que la misma eficiencia térmica se mantenga cuando se
reduzca la relación de compresión? Get solution
9-69 Un ciclo de aire estándar, llamado ciclo dual, con
calores específicos constantes, se lleva a cabo en un sistema
cerrado de cilindro-émbolo, y está compuesto de los siguientes
cinco procesos:
1-2 Compresión isentrópica con una relación de compresión,
r = V1/V2
2-3 Adición de calor a volumen constante con una relación
de presión, rp = P3P2
3-4 Una adición de calor a presión constante con una relación
de volumen, rc = V4/V3
4-5 Expansión isentrópica mientras se realiza trabajo hasta
V5 = V1
5-1 Rechazo de calor a volumen constante, hasta el estado
inicial.
a) Trace los diagramas P-v y T-s para este ciclo.
b) Obtenga una expresión para la eficiencia térmica del ciclo
como función de k, r, rc y rp.
c) Evalúe el límite de la eficiencia cuando rp tiende a la unidad,
y compare su respuesta con la expresión para la eficiencia
del ciclo Diesel.
d) Evalúe el límite de la eficiencia cuando rc tiende a la unidad,
y compare su respuesta con la expresión para eficiencia
del ciclo de Otto.
Ciclos Stirling y Ericsson Get solution
9-70C ¿Cuál ciclo está compuesto de dos procesos isotérmicos
y dos de volumen constante? Get solution
9-71C ¿En qué se distingue el ciclo ideal Ericsson del ciclo
Carnot? Get solution
9-72C Considere los ciclos ideales de Otto, Stirling y Carnot,
operando entre los mismos límites de temperatura. ¿Cómo
compararía usted las eficiencias térmicas de estos tres ciclos? Get solution
9-73C Considere los ciclos ideales Diesel, Ericsson y Carnot
operando entre los mismos límites de temperatura. ¿Cómo
compararía usted las eficiencias térmicas de estos tres ciclos? Get solution
9-74 Considere un ciclo Ericsson ideal con aire como fluido
de trabajo, ejecutado en un sistema de flujo estacionario. El
aire está a 27 °C y 120 kPa al inicio del proceso de compresión
isotérmica, durante el cual se rechazan 150 kJ/kg
de calor. La transferencia de calor al aire ocurre a 1,200 K.
Determine a) la presión máxima en el ciclo, b) la producción
neta de trabajo por unidad de masa de aire y c) la eficiencia
térmica del ciclo.
Respuestas: a) 685 kPa, b) 450 kJ/kg, c) 75 por ciento Get solution
9-75 Un ciclo Stirling ideal opera con 1 kg de aire entre depósitos
de energía térmica a 27 °C y 527 °C. La presión máxima en
el ciclo es 2,000 kPa, y la presión mínima en el ciclo es 100 kPa.
Determine el trabajo neto que se produce cada vez que se ejecuta
este ciclo, y la eficiencia térmica del ciclo. Get solution
9-76 Determine la tasa de entrada de calor externo y la
potencia producida por el ciclo Stirling del problema 9-75
cuando se repite 1 300 veces por minuto.
Respuestas: 10 020 kW, 6 264 kW Get solution
9-77 Un ciclo Ericsson opera entre depósitos de energía térmica
a 627 °C y 7 °C mientras produce 500 kW de potencia.
Determine la tasa de adición de calor a este ciclo cuando se
repite 2.000 veces por minuto. Respuesta: 726 kW Get solution
9-78 Si el ciclo del problema 9-77 se repite 3.000 veces por
minuto mientras la adición de calor por ciclo permanece igual,
¿cuánta potencia producirá el ciclo? Get solution
9-79E Un ciclo Stirling ideal lleno de aire usa un depósito de
energía a 50 °F como sumidero. El motor está diseñado de tal
manera que el volumen máximo de aire es 0.5 pies3, el volumen
mínimo de aire es 0.06 pies3, y la presión mínima es 10
psia. Se va a operar de tal manera que el motor produzca 2 Btu
de trabajo neto cuando se transfieren externamente al motor 6
Btu de calor. Determine la temperatura de la fuente de energía,
la cantidad de aire contenido en el motor, y la presión máxima
de aire durante el ciclo. Get solution
9-80E Repita el problema 9-79E si el motor se va a operar
para producir 2.5 Btu de trabajo para el mismo suministro
externo de calor. Get solution
9-81 Un ciclo Stirling con aire estándar opera con una presión
máxima de 3 600 kPa, y una presión mínima de 50 kPa.
El volumen máximo es 12 veces el mínimo, y el depósito de
baja temperatura está a 20 °C. Permita una diferencia de temperatura
de 5 °C entre los depósitos externos y el aire, cuando
sea pertinente y calcule el calor específico agregado al ciclo, y
su trabajo específico neto. Get solution
9-82 ¿Cuánto calor se almacena (y se recupera) en el regenerador
del problema 9-81? Utilice calores específicos constantes
a temperatura ambiente. Get solution
9-83C ¿Cuáles son los cuatro procesos que constituyen el
ciclo Brayton ideal simple? Get solution
9-84C Para temperaturas máxima y mínima fijas, ¿cuál es
el efecto de la relación de presiones sobre a) la eficiencia térmica
y b) la producción neta de trabajo de un ciclo Brayton
ideal simple? Get solution
9-85C ¿Qué es la relación del trabajo de retroceso? ¿Cuáles
son los valores típicos de relación del trabajo de retroceso
para ciclos de potencia de turbina de gas? Get solution
9-86C ¿Por qué son las relaciones del trabajo de retroceso
relativamente altas en los ciclos de potencia de turbina de gas? Get solution
9-87C ¿Cómo afectan las ineficiencias de la turbina y el
compresor a) la relación del trabajo de retroceso y b) la eficiencia
térmica de un ciclo de potencia de turbina de gas? Get solution
9-88E Un ciclo Brayton ideal simple con aire como fluido
de trabajo tiene una relación de presiones de 10. El aire entra
al compresor a 520 R y a la turbina a 2.000 R. Tomando en
cuenta la variación de calores específicos con la temperatura,
determine a) la temperatura del aire a la salida del compresor, b)
la relación del trabajo de retroceso y c) la eficiencia térmica. Get solution
9-89 Un ciclo Brayton simple que usa aire como fluido
de trabajo tiene una relación de presiones de 10.
Las temperaturas mínima y máxima en el ciclo son 295 y
1.240 K. Suponiendo una eficiencia isentrópica de 83 por
ciento para el compresor y 87 por ciento para la turbina, deter
mine a) la temperatura del aire a la salida de la turbina, b) la
producción neta de trabajo y c) la eficiencia térmica. Get solution
9-90 Reconsidere el problema 9-89. Usando software
EES (u otro), deje que varíen al flujo másico, la
relación de presiones, la temperatura de entrada a la turbina y
las eficiencias isentrópicas de la turbina y el compresor.
Suponga que la presión de entrada al compresor es 100 kPa.
Desarrolle una solución general para el problema aprovechando
el método de ventana de diagrama para suministrar los
datos al software EES. Get solution
9-91 Repita el problema 9-89 usando calores específicos
constantes a temperatura ambiente. Get solution
9-92E Un ciclo Brayton ideal simple usa helio como fluido
de trabajo, opera con 12 psia y 60 °F a la entrada del compresor,
tiene una relación de presiones de 14, y una temperatura
máxima de ciclo de 1 300 °F. ¿Cuánta potencia producirá este
ciclo cuando el flujo de circulación del helio por el ciclo es
100 lbm/min? Use calores específicos constantes a temperatura
ambiente. Get solution
9-93E Repita el problema 9-92E cuando la eficiencia isentrópica
de la turbina es 95 por ciento. Get solution
9-94 Considere un ciclo Brayton simple que usa aire como
fluido de trabajo, tiene una relación de presiones de 12, una
temperatura máxima de ciclo de 600 °C, y la entrada al compresor
opera a 90 kPa y 15 °C. ¿Qué tendrá mayor impacto en
la relación de trabajo de retroceso: una eficiencia isentrópica
de compresor de 90 por ciento o una eficiencia isentrópica de
turbina de 90 por ciento? Use calores específicos constantes a
temperatura ambiente. Get solution
9-95 Se usa aire como fluido de trabajo en un ciclo Brayton
ideal simple que tiene una relación de presiones de 12, una
temperatura de entrada al compresor de 300 K y una temperatura
de entrada a la turbina de 1.000 K. Determine el flujo
másico de aire necesario para una producción neta de potencia
de 70 MW, suponiendo que tanto el compresor como la
turbina tienen una eficiencia isentrópica de a) 100 por ciento,
y b) 85 por ciento. Suponga calores específicos constantes a
temperatura ambiente. Get solution
9-96 Entra aire al compresor de un ciclo de potencia de turbina
de gas a 300 K y 100 kPa, y se comprime a 700 kPa y
580 K. Se transfiere calor al aire en la cantidad de 950 kJ/kg
antes de que entre a la turbina. Para una eficiencia de turbina
de 86 por ciento, determine a) la fracción de la producción de
trabajo de la turbina que se usa para accionar el compresor y
b) la eficiencia térmica. Suponga calores específicos variables
para el aire. Get solution
9-97 Repita el problema 9-96 usando calores específicos
constantes a temperatura ambiente. Get solution
9-98 Un motor de avión opera en un ciclo Brayton ideal
simple con una relación de presiones de 10. Se agrega calor
al ciclo a razón de 500 kW; el aire pasa a través del motor a
razón de 1 kg/s, y el aire al principio de la compresión está
a 70 kPa y 0 °C. Determine la potencia producida por este
motor y su eficiencia térmica. Use calores específicos constantes
a temperatura ambiente. Get solution
9-99 Repita el problema 9-98 para una relación de presiones
de 15. Get solution
9-100 Una planta eléctrica de turbina de gas opera en un
ciclo Brayton simple entre los límites de presión de 100 y
2 000 kPa. El fluido de trabajo es aire, que entra al compresor
a 40 °C y una razón de 700 m3/min y sale de la turbina a 650
°C. Usando calores específicos variables para el aire y suponiendo
una eficiencia isentrópica de compresión de 85 por
ciento y una eficiencia isentrópica de turbina de 88 por ciento,
determine a) la producción neta de potencia, b) la relación del
trabajo de retroceso y c) la eficiencia térmica. Get solution
9-101 Una planta eléctrica con turbina de gas opera en el
ciclo Brayton simple entre los límites de presión de 100 y 800
kPa. El aire entra al compresor a 30 °C y sale a 330 °C a un
flujo másico de 200 kg/s. La temperatura máxima del ciclo es
1 400 K. Durante la operación del ciclo, la producción neta de
potencia se mide experimentalmente como 60 MW. Suponga
propiedades constantes para el aire a 300 K, con cv = 0.718 kJ/
kg • K, cp = 1.005 kJ/kg • K, R = 0.287 kJ/kg • K, k = 1.4.
a) Trace el diagrama T-s para el ciclo.
b) Determine la eficiencia isentrópica de la turbina para estas
condiciones de operación.
c) Determine la eficiencia térmica del ciclo. Get solution
9-102 Una planta eléctrica con turbina de gas opera en un
ciclo Brayton modificado como se muestra en la figura, con
una relación total de presiones de 8. El aire entra al compresor
a 0 °C y 100 kPa. La temperatura máxima del ciclo es 1 500
K. El compresor y las turbinas son isentrópicos. La turbina de
alta presión desarrolla sólo la suficiente potencia para operar
el compresor. Suponga propiedades constantes para el aire a
300 K, con cv = 0.718 kJ/kg • K, cp = 1.005 kJ/kg • K, R =
0.287 kJ/kg • K, k = 1.4.
a) Trace el diagrama T-s para el ciclo. Marque los estados de
referencia.
b) Determine la temperatura y la presión en el estado 4, a la
salida de la turbina de alta presión.
c) Si la producción neta de potencia es 200 MW, determine el
flujo másico del aire dentro del compresor, en kg/s. Get solution
9-103 Get solution
9-104 Get solution
9-105C Alguien asegura que a relaciones de presiones muy
altas, el uso de regeneración realmente disminuye la eficiencia
térmica de un ciclo de potencia de turbina de gas. ¿Hay algo
de verdad en esta afirmación? Explique. Get solution
9-106C Defina la efectividad de un regenerador usado en
ciclos de turbina de gas. Get solution
9-107C En un regenerador ideal, ¿el aire que sale del compresor
se calienta a a) la temperatura a la entrada de la turbina,
b) la temperatura a la salida de la turbina, c) ligeramente
arriba de la temperatura de salida de la turbina? Get solution
9-108C En 1903, Aegidius Elling, de Noruega, diseñó y construyó
una turbina de gas de 11 hp que usaba inyección de vapor
de agua entre la cámara de combustión y la turbina para enfriar
los gases de combustión a una temperatura segura para los materiales
disponibles en esa época. En la actualidad hay varias plantas
eléctricas de turbina de gas que usan inyección de vapor
de agua para aumentar la potencia y mejorar la eficiencia térmica.
Por ejemplo, se reporta que la eficiencia térmica de la
turbina de gas General Electric LM5000 aumenta de 35.8 por
ciento en operación de ciclo simple a 43 por ciento cuando se
usa inyección de vapor de agua. Explique por qué la inyección
de vapor de agua aumenta la producción de potencia y
la eficiencia de las turbinas de gas. Explique también cómo
obtendría usted el vapor de agua. Get solution
9-109 Una turbina de gas para un automóvil se diseña con un
regenerador. El aire entra al compresor de este motor a 100 kPa
y 20 °C. La relación de presiones del compresor es 8; la temperatura
máxima del ciclo es 800 °C y el flujo de aire frío sale
del regenerador 10 °C más frío que el flujo de aire caliente
a la entrada del regenerador. Suponiendo que tanto el compresor
como la turbina son isentrópicos, determine las tasas
de adición y rechazo de calor para este ciclo cuando produce
150 kW. Use calores específicos constantes a temperatura
ambiente.
un intercambiador de calor). Considere este sistema cuando
el aire entra al compresor a 100 kPa y 20 °C; la relación de
presiones del compresor es 7, la temperatura máxima del ciclo
es de 727 °C y la diferencia entre las temperaturas de aire
caliente y frío es de 6 °C en el lado del regenerador por el que
sale el flujo frío. ¿La instalación del ciclo como se muestra
en la figura es más o menos eficiente que esta instalación?
Suponga que tanto el compresor como la turbina son isentrópicos,
y use calores específicos constantes a temperatura
ambiente. Get solution
9-112E Se agrega un regenerador ideal (T3 _ T5) a un ciclo
Brayton ideal simple (vea la figura P9-109). El aire entra al
compresor de este ciclo a 16 psia y 100 °F; la relación de
presiones es 11, y la máxima temperatura del ciclo es 1 940 °F.
¿Cuál es la eficiencia térmica de este ciclo? Use calores específicos
constantes a temperatura ambiente. ¿Cuál sería la eficiencia
térmica de este ciclo sin el regenerador? Get solution
9-113E La idea de usar turbinas de gas para accionar automóviles
se concibió en la década de 1930. Importantes fabricantes
de automóviles, tales como Chrysler y Ford en Estados
Unidos y Rover en el Reino Unido, hicieron un esfuerzo
considerable de investigación en las décadas de 1940 y 1950
para desarrollar turbinas de gas para automóviles. El primer
automóvil del mundo que usó turbina de gas, el Rover Jet 1
de 200 hp, se construyó en 1950 en Inglaterra. Fue seguido
por la producción del Plymouth Sport Coupé de Chrysler en
1954, bajo el liderazgo de G. J. Huebner. Se construyeron
varios cientos de automóviles Plymouth de turbina de gas a
principios de la década de 1960, para fines de demostración,
y se prestaron a un grupo selecto de personas para obtener
experiencia de campo. Los usuarios no tenían quejas, salvo la
lenta aceleración. Pero los autos nunca se produjeron en masa
debido a los altos costos de producción (especialmente los
materiales), y el no poder cumplir con las normas del Acta de
Aire Limpio de 1966.
Un automóvil Plymouth de turbina de gas construido en
1960 tenía una temperatura de entrada a la turbina de 1,700 °F,
una relación de presiones de 4 y una efectividad del regenerador
de 0.9. Usando eficiencias isentrópicas de 80 por ciento
tanto para el compresor como para la turbina, determine la eficiencia
térmica de este automóvil. Determine también el flujo
másico de aire para una producción neta de potencia de 95 hp.
Suponga que el aire ambiente está a 540 R y 14.5 psia. Get solution
9-114 La turbina de gas 7FA fabricada por General
Electric se reporta que tiene una eficiencia de
35.9 por ciento en el modo de ciclo simple y que produce 159
MW de potencia neta. La relación de presiones es 14.7, y la
temperatura de entrada a la turbina es de 1.288 °C. El flujo
másico a través de la turbina es de 1,536,000 kg/h. Tomando
las condiciones ambientes como 30 °C y 100 kPa, determine
la eficiencia isentrópica de la turbina y del compresor. Determine
también la eficiencia térmica de este ciclo si se agrega
un regenerador con una efectividad de 65 por ciento. Get solution
9-115 Reconsidere el problema 9-114. Usando el software
EES (u otro), desarrolle una solución que
permita diferentes eficiencias isentrópicas para el compresor y
la turbina y estudie el efecto de las eficiencias isentrópicas
sobre el trabajo neto que se realiza y el calor que se suministra
al ciclo. Trace el diagrama T-s para el ciclo. Get solution
9-116 Un ciclo Brayton con regeneración que usa aire como
fluido de trabajo tiene una relación de presiones de 7. Las
temperaturas mínima y máxima en el ciclo son 310 y 1.150 K.
Suponiendo una eficiencia isentrópica de 75 por ciento para
el compresor y de 82 por ciento para la turbina, y una efectividad
de 65 por ciento para el regenerador, determine a) la
temperatura del aire a la salida de la turbina, b) la producción
neta de trabajo y c) la eficiencia térmica.
Respuestas: a) 783 K, b) 108.1 kJ/kg, c) 22.5 por ciento Get solution
9-117 Una planta eléctrica de turbina de gas opera estacionariamente
en un ciclo Brayton regenerativo ideal (P _ 100
por ciento) con aire como fluido de trabajo. El aire entra al
compresor a 95 kPa y 290 K y a la turbina a 760 kPa y 1.100
K. Se transfiere calor al aire de una fuente externa a razón
de 75,000 kJ/s. Determine la potencia que produce esta planta
a) suponiendo calores específicos constantes a temperatura
ambiente y b) tomando en cuenta la variación de los calores
específicos con la temperatura. Get solution
9-118 Entra aire al compresor de un ciclo regenerativo de
turbina de gas, a 310 K y 100 kPa, y se comprime a 900 kPa y
650 K. El regenerador tiene una efectividad de 80 por ciento,
y el aire entra a la turbina a 1.400 K. Para una eficiencia de
la turbina de 90 por ciento, determine a) la cantidad de calor
que se transfiere en el regenerador y b) la eficiencia térmica.
Suponga calores específicos variables para el aire.
Respuestas: a) 193 kJ/kg, b) 40.0 por ciento Get solution
9-119 Repita el problema 9-118 usando calores específicos
constantes a temperatura ambiente. Get solution
9-120 Repita el problema 9-118 para una efectividad del
regenerador de 70 por ciento. Get solution
9-121 Desarrolle una expresión para la eficiencia térmica de
un ciclo ideal Brayton con un regenerador ideal de efectividad
100 por ciento. Use calores específicos constantes a temperatura
ambiente. Get solution
9-122C ¿Con qué modificaciones se aproximará el ciclo
simple ideal de turbina de gas al ciclo Ericsson? Get solution
9-123C Para una razón de presión específica, ¿por qué la
compresión de etapas múltiples con interenfriamiento disminuye
el trabajo del compresor, y la expansión de etapas múltiples
con recalentamiento incrementa el trabajo de la turbina? Get solution
9-124C El proceso de compresión de una sola etapa de un
ciclo Brayton ideal sin regeneración se reemplaza por un proceso
de compresión de etapas múltiples con interenfriamiento,
entre los mismos límites de presión. Como resultado de esta
modificación,
a) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual el trabajo del
compresor?
b) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual la relación del
trabajo de retroceso?
c) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual la eficiencia térmica? Get solution
9-125C El proceso de expansión de una sola etapa de un ciclo
Brayton ideal sin regeneración se reemplaza por un proceso de
expansión de etapas múltiples con recalentamiento, entre los
mismos límites de presión. Como resultado de la modificación,
a) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual el trabajo de la
turbina?
b) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual la relación del
trabajo de retroceso?
c) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual la eficiencia térmica? Get solution
9-126C Un ciclo simple ideal Brayton sin regeneración se
modifica para incorporar compresión de etapas múltiples con
interenfriamiento y expansión de etapas múltiples con recalentamiento,
sin cambiar los límites de presión ni de temperatura
del ciclo. Como resultado de estas dos modificaciones,
a) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual la producción
neta de trabajo?
b) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual la relación del
trabajo de retroceso?
c) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual la eficiencia térmica?
d) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual el rechazo de
calor? Get solution
9-127C Un ciclo Brayton ideal simple se modifica para incorporar
compresión de etapas múltiples con interenfriamiento,
expansión de etapas múltiples con recalentamiento, y regeneración,
sin cambiar los límites de presión del ciclo. Como resultado
de estas modificaciones,
a) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual la producción
neta de trabajo?
b) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual la relación del
trabajo de retroceso?
c) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual la eficiencia térmica?
d) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual el rechazo de
calor? Get solution
9-128C En un ciclo ideal de turbina de gas con interenfriamiento,
recalentamiento y regeneración, al aumentar el número
de etapas de compresión y expansión, la eficiencia térmica
del ciclo tiende a a) 100 por ciento, b) la eficiencia del
ciclo de Otto, c) la eficiencia del ciclo de Carnot. Get solution
9-129 Considere un ciclo ideal de turbina de gas con dos etapas
de compresión y dos etapas de expansión. La relación de
presiones a través de cada etapa del compresor y de la turbina
es 3. El aire entra a cada etapa del compresor a 300 K, y a cada
etapa de la turbina a 1.200 K. Determine la relación del trabajo
de retroceso y la eficiencia térmica del ciclo, suponiendo que a)
no se usa regenerador y b) se usa un regenerador con efectividad
de 75 por ciento. Use calores específicos variables. Get solution
9-130 Repita el problema 9-129, suponiendo una eficiencia
de 84 por ciento para cada etapa de compresor y una eficiencia
de 88 por ciento para cada etapa de turbina. Get solution
9-131E Una turbina de gas tiene dos etapas de compresión
ideal, expansión ideal, interenfriamiento y recalentamiento. El
aire entra al primer compresor a 13 psia y 60 °F; la relación
total de presiones (a través de todos los compresores) es 12;
la tasa total de adición de calor es 500 Btu/s, y la temperatura
del aire frío se aumenta en 50 °F en el regenerador. Calcule
la potencia producida por cada turbina, la potencia consumida
por cada compresor y la tasa de rechazo de calor. Use calores
específicos constantes a temperatura ambiente. Get solution
9-132E Vuelva a trabajar el problema 9-131E, con eficiencia
isentrópica para cada compresor de 85 por ciento, y de 90
por ciento para cada turbina. Get solution
9-133 Entra aire a una turbina de gas con dos etapas de compresión
y dos etapas de expansión, a 100 kPa y 17 °C. El
sistema usa un regenerador, así como recalentamiento e interenfriamiento.
La relación de presiones a través de cada compresor
es 4; se agregan 300 kJ/kg de calor al aire en cada
cámara de combustión, y el regenerador opera perfectamente
al aumentar la temperatura del aire frío en 20 °C. Determine
la eficiencia térmica de este sistema. Suponga operaciones
isentrópicas para todas las etapas de compresor y de turbina, y
use calores específicos constantes a temperatura ambiente. Get solution
9-134 Repita el problema 9-133 para el caso de tres etapas
de compresión con interenfriamiento y tres etapas de expansión
con recalentamiento. Get solution
9-135 ¿Cuánto cambiaría la eficiencia térmica del ciclo en
el problema 9-134 si la temperatura del flujo de aire frío que
sale del regenerador fuese 65 °C más baja que la temperatura
del flujo de aire caliente que entra al regenerador? Get solution
9-136C ¿Qué es la potencia de propulsión? ¿Cómo se relaciona
con el empuje? Get solution
9-137C ¿Qué es la eficiencia de propulsión? ¿Cómo se
determina? Get solution
9-138C ¿El efecto de las irreversibilidades en la turbina y el
compresor de un motor de propulsión por reacción es de reducir
a) el trabajo neto, b) el empuje o c) la tasa de consumo de
combustible? Get solution
9-139E Un motor de propulsión de un avión turbohélice
opera en una zona en que el aire está a 8 psia y _10 °F, en
un avión que vuela con una velocidad de 600 pies/s. La relación
de presiones del ciclo Brayton es 10, y la temperatura del
aire a la entrada de la turbina es de 940 °F. El diámetro de la
hélice es de 10 pies, y el flujo másico a través de la hélice es
20 veces el flujo másico a través del compresor. Determine
la fuerza de empuje generada por este sistema de propulsión.
Suponga operación ideal para todos los componentes y calores
específicos constantes a temperatura ambiente. Get solution
9-140E ¿Cuánto cambio habría en el empuje del problema si el diámetro de la hélice se redujera a 8 pies, manteniendo
el mismo flujo másico a través del compresor? Atención:
la relación de flujos másicos ya no será 20. Get solution
9-141 Un motor turbosoplador que opera en un avión que
vuela a 200 m/s a una altitud en la que el aire está a 50 kPa
y _20 °C, debe producir 50,000 N de empuje. El diámetro
de entrada de este motor es de 2.5 m; la relación de presiones
del compresor es 12, y la relación de flujos másicos es
8. Determine la temperatura del aire a la salida del soplador
necesaria para producir este empuje. Suponga operación ideal
para todos los componentes y calores específicos constantes a
temperatura ambiente. Respuesta: 233 K Get solution
9-142 Un motor de reacción pura propulsa un avión a 240
m/s a través de aire que está a 45 kPa y –13 °C. El diámetro
de entrada de éste es de 1.6 m. La relación de presiones del
compresor es 13, y la temperatura a la entrada de la turbina
es de 557 °C. Determine la velocidad a la salida de la tobera
de este motor y el empuje producido. Suponga operación ideal
para todos los componentes y calores específicos constantes a
temperatura ambiente. Get solution
9-143 Un avión con motor de propulsión por reacción vuela
con una velocidad de 320 m/s a una altitud de 9,150 m donde
las condiciones de ambiente son 32 kPa y _32 °C. La relación
de presiones a través del compresor es 12, y la temperatura a
la entrada de la turbina es de 1,400 K. El aire entra al compresor
a razón de 60 kg/s, y el combustible de motor tiene un
poder calorífico de 42,700 kJ/kg. Suponiendo operación ideal
para todos los componentes y calores específicos constantes a
temperatura ambiente, determine a) la velocidad de los gases
de escape, b) la potencia de propulsión que se desarrolla y c)
la tasa de consumo de combustible. Get solution
9-144 Repita el problema 9-143 usando una eficiencia de
compresor de 80 por ciento y una eficiencia de turbina de 85
por ciento. Get solution
9-145 Considere un avión accionado por un motor de propulsión
por reacción que tiene una relación de presiones de
9. El avión está estacionado en tierra, mantenido en posición
por sus frenos. El aire ambiente está a 7 °C y 95 kPa y entra
al motor a razón de 20 kg/s. El combustible de motor tiene un
poder calorífico de 42,700 kJ/kg, y se quema por completo
a razón de 0.5 kg/s. Despreciando el efecto del difusor y el
pequeño aumento de flujo másico a la salida del motor, así
como las ineficiencias de los componentes del motor, determine
la fuerza que se debe aplicar a los frenos para mantener
estacionado el avión. Respuesta: 19.370 N Get solution
9-146 Reconsidere el problema 9-145. En el planteamiento
del problema, reemplace el flujo másico
de entrada por un flujo volumétrico de entrada de 18.1 m3/s.
Usando el software EES (u otro), investigue el efecto de la
temperatura de entrada al compresor dentro del rango de _20
a 30 °C sobre la fuerza que se debe aplicar a los frenos para
mantener estacionado el avión. Grafique esta fuerza como
función de la temperatura del aire a la entrada al compresor. Get solution
9-147 Entra aire a 7 °C a un motor de propulsión por reacción
a razón de 16 kg/s y una velocidad de 300 m/s (relativa
al motor). El aire se calienta en la cámara de combustión a
razón de 15,000 kJ/s, y sale del motor a 427 °C. Determine el
empuje producido por este motor de propulsión por reacción.
(Sugerencia: Elija todo el motor como el sistema abierto.) Get solution
9-148 ¿Cuál de los procesos de ciclo de Otto del problema 9-36 pierde la cantidad máxima de potencial de trabajo? La
temperatura del depósito de suministro de energía es la misma
que la temperatura máxima del ciclo, y la temperatura del
sumidero de energía es la misma que la temperatura mínima
del ciclo. Get solution
9-149E Determine la destrucción de exergía asociada con
el proceso de rechazo de calor del ciclo Diesel que se describe
en el problema 9-55E, suponiendo una temperatura de la
fuente de 3.500 R y una temperatura del sumidero de 540 R.
También determine la exergía al final del proceso de expansión
isentrópica. Get solution
9-150 Calcule la destrucción de exergía por cada proceso
del ciclo dual en el problema 9-63. Suponga condiciones
atmosféricas estándar y también que la temperatura de la
fuente de energía es la misma que la temperatura máxima del
ciclo, y la temperatura del sumidero de energía es la misma
que la temperatura mínima del ciclo. Get solution
9-151 Calcule la destrucción de exergía para cada proceso
para el ciclo Stirling del problema 9-81, en kJ/kg. Get solution
9-152 Calcule la destrucción de exergía asociada con cada
uno de los procesos del ciclo Brayton descrito en el problema 9-89, suponiendo una temperatura de la fuente de 1.600 K y
una temperatura del sumidero de 310 K. Get solution
9-153 Repita el problema 9-94 usando análisis de exergía. Get solution
9-154 Determine la destrucción total de exergía asociada
con el ciclo Brayton que se describe en el problema 9-116,
suponiendo una temperatura de fuente de 1.500 K y una temperatura
de sumidero de 240 K. También determine la exergía
de los gases de escape a la salida del regenerador. Get solution
9-155 Reconsidere el problema 9-154. Usando el software
EES (u otro), investigue el efecto de variar
la relación de presiones del ciclo de 6 a 14 sobre la destrucción
total de exergía para el ciclo y la exergía de los gases de
escape a la salida del regenerador. Grafique estos resultados
como funciones de la relación de presiones. Explique los
resultados. Get solution
9-156 Calcule el potencial de trabajo perdido para cada proceso
del problema 9-135. La temperatura del depósito caliente
es la misma que la temperatura máxima del ciclo, y la temperatura
del depósito frío es la misma que la temperatura mínima
del ciclo. Get solution
9-157 Una planta eléctrica de turbina de gas opera en el ciclo
Brayton simple entre los límites de presión de 100 y 700 kPa.
El aire entra al compresor a 30 °C a razón de 12.6 kg/s, y sale
a 260 °C. Un combustible diesel con un poder calorífico de
42,000 kJ/kg se quema en la cámara de combustión con una
relación aire-combustible de 60 y una eficiencia de combustión
de 97 por ciento. Los gases de combustión salen de la cámara de
combustión y entran a la turbina, cuya eficiencia isentrópica es
de 85 por ciento. Tratando los gases de combustión como aire
y usando calores específicos constantes a 500 °C, determine a)
la eficiencia isentrópica del compresor, b) la producción neta
de potencia y la relación del trabajo de retroceso, c) la eficiencia
térmica y d) la eficiencia según la segunda ley. Get solution
9-158 Un motor moderno de cuatro cilindros, cuatro tiempos,
1.8 L, de alto número de revoluciones e ignición por compresión,
opera en el ciclo ideal dual con una relación de compresión
de 16. El aire está a 95 kPa y 70 °C al principio del proceso de
compresión, y la velocidad de rotación del motor es de 2 200
rpm. Se queman iguales cantidades de combustible a volumen
constante y a presión constante. La presión máxima permisible
en el ciclo es de 7.5 MPa, debido a limitaciones de resistencia
de materiales. Usando calores específicos constantes a 1 000
K, determine a) la temperatura máxima en el ciclo, b) la pro
ducción neta de trabajo y la eficiencia térmica, c) la presión
media efectiva y d) la producción neta de trabajo. También
determine e) la eficiencia según la segunda ley del ciclo y la
tasa de salida de exergía con los gases de escape cuando se
purgan. Get solution
9-159 Un ciclo de Otto con una relación de compresión de
7 comienza su compresión a 90 kPa y 15 °C. La temperatura
máxima del ciclo es 1 000 °C. Utilizando las suposiciones
de aire estándar, determine la eficiencia térmica de este
ciclo usando a) calores específicos constantes a temperatura
ambiente y b) calores específicos variables.
Respuestas: a) 54.1 por ciento, b) 51.0 por ciento Get solution
9-160E Un ciclo Diesel tiene una relación de compresión
de 20 y comienza su compresión a 13 psia y 45 °F. La temperatura
máxima del ciclo es 1.800 °F. Usando suposiciones
de aire estándar, determine la eficiencia térmica de este
ciclo usando a) calores específicos constantes a temperatura
ambiente y b) calores específicos variables. Get solution
9-161E Un ciclo Brayton con una relación de presiones de
12 opera con aire que entra al compresor a 13 psia y 20 °F,
y a la turbina a 1 000 °F. Calcule el trabajo neto específico
producido por este ciclo, tratando el aire como gas ideal con
a) calores específicos constantes a temperatura ambiente y b)
calores específicos variables. Get solution
9-162 Un motor diesel V-16 de cuatro tiempos, con turbocargador,
construido por GE Transportation Systems para
accionar trenes rápidos, produce 3.500 hp a 1.200 rpm. Determine
la cantidad de potencia producida por cilindro por a)
ciclo mecánico y b) ciclo termodinámico. Get solution
9-163 Considere un ciclo Brayton ideal simple que opera
entre los límites de temperatura de 300 y 1.500 K. Usando
calores específicos constantes a temperatura ambiente, determine
la relación de presiones para la cual son iguales las temperaturas
de salida del compresor y la turbina. Get solution
9-164 Un motor de cuatro cilindros de ignición por
chispa tiene una relación de compresión de 10.5,
y cada cilindro tiene un volumen máximo de 0.4 L. Al principio
del proceso de compresión, el aire está a 98 kPa y 37 °C,
y la temperatura máxima en el ciclo es 2 100 K. Suponiendo
que el motor opera en el ciclo ideal de Otto, determine a) la
cantidad de calor suministrado por cilindro, b) la eficiencia
térmica y c) el número de revoluciones por minuto necesario
para una producción neta de potencia de 45 kW. Suponga
calores específicos variables para el aire. Get solution
9-165 Reconsidere el problema 9-164. Usando software
EES (u otro), estudie el efecto de variar la
relación de compresión de 5 a 11 sobre el trabajo neto realizado
y la eficiencia del ciclo. Trace los diagramas P-v y T-s
para el ciclo, y explique los resultados. Get solution
9-166 Un ciclo ideal de Carnot de gas usa helio como fluido
de trabajo y rechaza calor a un lago a 15 °C. Determine la
relación de presiones y la relación de compresión para el proceso
isentrópico de compresión y la temperatura mínima de
la fuente de calor para que este ciclo tenga una eficiencia térmica
de 50 por ciento. Respuestas: 5.65, 2.83, 576 K Get solution
9-167E Repita el problema 9-166 cuando el lago está a 60
°F y la eficiencia del ciclo de Carnot debe ser 60 por ciento. Get solution
9-168 Un combustible típico de hidrocarburos produce
43,000 kJ/kg de calor cuando se usa en un motor de ignición
por chispa. Determine la relación de compresión que se necesita
para que un ciclo ideal de Otto use 0.035 gramos de combustible
para producir 1 kJ de trabajo. Use calores específicos
constantes a temperatura ambiente. Respuesta: 15.3 Get solution
9-169 Un ciclo ideal de Otto tiene una relación de compresión
de 9.2 y usa aire como fluido de trabajo. Al inicio del
proceso de compresión, el aire está a 98 kPa y 27 °C. La presión
se duplica durante el proceso de adición de calor a volumen
constante. Tomando en cuenta la variación de los calores
específicos con la temperatura, determine a) la cantidad de
calor que se transfiere al aire, b) la producción neta de trabajo,
c) la eficiencia térmica y d) la presión media efectiva para el
ciclo. Get solution
9-170 Repita el problema 9-169 usando calores específicos
constantes a temperatura ambiente. Get solution
9-171E Un ciclo dual ideal tiene una relación de compresión
de 14 y usa aire como fluido de trabajo. Al principio del proceso
de compresión, el aire está a 14.7 psia y 120 °F, y ocupa
un volumen de 98 pulg3. Durante el proceso de adición de
calor, se transfieren al aire 0.6 Btu de calor a volumen constante
y 1.1 Btu a presión constante. Usando calores específicos
constantes evaluados a temperatura ambiente, determine
la eficiencia térmica del ciclo. Get solution
9-172 Considere un ciclo Stirling ideal usando aire como
fluido de trabajo. El aire está a 350 K y 200 kPa al principio
del proceso de compresión isotérmica, y se agrega calor al
aire desde una fuente a 1.800 K en la cantidad de 900 kJ/kg.
Determine a) la presión máxima en el ciclo y b) la producción
neta de trabajo por unidad de masa de aire. Get solution
9-173 Considere un ciclo Brayton ideal simple con aire
como fluido de trabajo. La relación de presiones del ciclo es
6, y las temperaturas mínima y máxima son 300 y 1.300 K.
Ahora se duplica la relación de presiones sin cambiar las temperaturas
mínima y máxima del ciclo. Determine el cambio en
a) la producción neta de trabajo por unidad de masa y b) la
eficiencia térmica del ciclo como resultado de esta modificación.
Suponga calores específicos variables para el aire.
Respuestas: a) 41.5 kJ/kg, b) 10.6 por ciento Get solution
9-174 Repita el problema 9-173 usando calores específicos
constantes a temperatura ambiente. Get solution
9-175 Un ciclo de turbina de gas con regeneración opera
con dos etapas de compresión y dos etapas de expansión. La
relación de presiones a través de cada etapa de compresor y
de turbina es 4. El aire entra a cada etapa del compresor a
300 K, y a cada etapa de la turbina a 1.400 K. Las eficiencias
de compresor y de turbina son 78 y 86 por ciento, respectivamente,
y la efectividad del regenerador es 75 por ciento.
Determine la relación del trabajo de retroceso y la eficiencia
térmica del ciclo, suponiendo calores específicos constantes
para el aire a temperatura ambiente.
Respuestas: 0.475, 45.1 por ciento Get solution
9-176 Reconsidere el problema 9-175. Usando software
EES (u otro), estudie los efectos de variar
las eficiencias isentrópicas para el compresor y la turbina y la
efectividad del regenerador sobre el trabajo neto realizado y el
calor suministrado al ciclo para el caso de calores específicos
variables. Suponga que las eficiencias isentrópicas y la efectividad
varían de 70 a 90 por ciento. Trace el diagrama T-s para
el ciclo. Get solution
9-177 Repita el problema 9-175 usando helio como fluido
de trabajo. Get solution
9-178 Considere un ciclo ideal de turbina de gas con una
etapa de compresión y dos etapas de expansión y regeneración.
La relación de presiones a través de cada etapa de turbina
es la misma. Los gases de escape de la turbina de alta
presión entran al regenerador y luego entran a la turbina de
baja presión para expansión a la presión de entrada del compresor.
Determine la eficiencia térmica de este ciclo como
función de la relación de compresión del compresor y la relación
de temperatura de entrada a la turbina de alta presión a
la temperatura de entrada al compresor. Compare su resultado
con la eficiencia del ciclo regenerativo estándar. Get solution
9-179 Una planta de turbina de gas opera en el ciclo Brayton
regenerativo con dos etapas de recalentamiento y dos etapas de
interenfriamiento entre los límites de presión de 100 y 1 200
kPa. El fluido de trabajo es aire. El aire entra a la primera y a
la segunda etapas del compresor a 300 K y 350 K, respectivamente,
y a la primera y segunda etapas de la turbina, a 1 400
K y 1.300 K, respectivamente. Suponiendo que tanto el compresor
como la turbina tienen una eficiencia isentrópica de 80
por ciento y que el regenerador tiene una efectividad de 75 por
ciento, y usando calores específicos variables, determine a) la
relación del trabajo de retroceso y la producción neta de trabajo,
b) la eficiencia térmica y c) la eficiencia según la segunda
ley del ciclo. También determine d) las exergías en las sali
das de la cámara de combustión (estado 6) y el regenerador
(estado 10). (Vea la figura 9-43 en el texto.) Respuestas: a)
0.523, 317 kJ/kg; b) 0.553; c) 0.704; d) 931 kJ/kg, 129 kJ/kg Get solution
9-180 Compare la eficiencia térmica de la turbina de gas de
dos etapas con regeneración, recalentamiento e interenfriamiento
a la de una turbina de gas de tres etapas con el mismo
equipo cuando a) todos los componentes operan idealmente,
b) el aire entra al primer compresor a 100 kPa y 10 °C, c) la
relación total de presiones a través de todas las etapas de compresión
es 16 y d) la temperatura máxima de ciclo es 600 °C. Get solution
9-181E El empuje específico de un sistema de propulsión de
avión es la fuerza producida por unidad de flujo másico productor
de empuje. Considere un motor de propulsión por reacción
que opera en un ambiente a 10 psia y 30 °F y propulsa
un avión con velocidad de crucero de 1.200 pies/s. Determine
el empuje específico de este motor cuando la relación de compresión
del compresor es 9 y la temperatura a la entrada de
la turbina es 700 °F. Suponga operación ideal para todos los
componentes y calores específicos constantes a temperatura
ambiente. Get solution
9-182 Las necesidades de electricidad y calor de una planta
se deben satisfacer mediante una fábrica que consiste en una
turbina de gas y un intercambiador de calor para la producción
de vapor de agua. La planta opera en un ciclo Brayton simple
entre los límites de presión de 100 y 1.000 kPa con aire como
fluido de trabajo. El aire entra al compresor a 20 °C. Los gases
de combustión salen de la turbina y entran al intercambiador
de calor a 450 °C, y salen del intercambiador de calor a 325
°C, mientras el agua líquida entra al intercambiador de calor
a 15 °C y sale a 200 °C como vapor saturado. La potencia
neta producida por el ciclo de turbina de gas es de 1 500 kW.
Suponiendo una eficiencia isentrópica del compresor de 86
por ciento y una eficiencia isentrópica de la turbina de 88 por
ciento, y usando calores específicos variables, determine a) el
flujo másico de aire, b) la relación del trabajo de retroceso
y la eficiencia térmica y c) la tasa de producción de vapor
de agua en el intercambiador de calor. También determine d)
la eficiencia de utilización de la planta de cogeneración, definida
como la relación de la energía total utilizada a la energía
suministrada a la planta. Get solution
9-183 Un avión de propulsión por reacción vuela con una
velocidad de 900 km/h a una altitud donde la temperatura y
la presión del aire son _35 °C y 40 kPa. El aire sale del difusor
a 50 kPa, con una velocidad de 15 m/s, y los gases de
combustión entran a la turbina a 450 kPa y 950 °C. La turbina
produce 500 kW de potencia que se usa totalmente en
accionar el compresor. Suponiendo una eficiencia isentrópica
de 83 por ciento para el compresor, la turbina y la tobera, y
usando calores específicos variables, determine a) la presión
de los gases de combustión a la salida de la turbina, b) el flujo
másico de aire a través del compresor, c) la velocidad de los
gases a la salida de la tobera y d) la potencia de propulsión y
la eficiencia de propulsión de este motor.
Respuestas: a) 147 kPa, b) 1.76 kg/s, c) 719 m/s, d) 206 kW,
0.156 Get solution
9-184 Un ciclo de aire estándar con calores específicos constantes
se realiza en un sistema cerrado de cilindro-émbolo, y
está compuesto de los siguientes tres procesos:
1-2 Compresión isentrópica con una relación de compresión
r = V1 = V2
2-3 Adición de calor a presión constante
3-1 Rechazo de calor a volumen constante
a) Trace los diagramas P-v y T-s para este ciclo.
b) Obtenga una expresión para la relación de trabajo de retroceso
como función de k y r.
c) Obtenga una expresión para la eficiencia térmica del ciclo
como función de k y r.
d) Determine el valor de la relación del trabajo de retroceso y
la eficiencia cuando r tiende a la unidad.
¿Qué implican sus resultados respecto al trabajo neto realizado
por el ciclo? Get solution
9-185 Un ciclo de aire estándar con calores específicos
constantes se lleva a cabo en un sistema cerrado de cilindroémbolo,
y está compuesto de los siguientes tres procesos:
1-2 Adición de calor a volumen constante
2-3 Expansión isentrópica con una relación de expansión
r = V3/V2
3-1 Rechazo de calor a presión constante
a) Trace los diagramas P-v y T-s para este ciclo.
b) Obtenga una expresión para la relación del trabajo de retroceso
como función de k y r.
c) Obtenga una expresión para la eficiencia térmica del ciclo
como función de k y r.
d) Determine el valor de la relación del trabajo de retroceso y
la eficiencia cuando r tiende a la unidad.
¿Qué implican sus resultados acerca del trabajo neto realizado
por el ciclo? Get solution
9-186 Un ciclo de aire estándar con calores específicos
constantes se lleva a cabo en un sistema cerrado de cilindroémbolo,
y está compuesto de los siguientes cuatro procesos:
1-2 Compresión isentrópica con una relación de compresión,
r = V1/V2
2-3 Adición de calor a volumen constante
3-4 Expansión isentrópica con una relación de expansión
re = V4/V3
4-1 Rechazo de calor a presión constante con una relación
de volúmenes, rp = V4/V1
a) Trace los diagramas P-v y T-s para este ciclo.
b) Obtenga una expresión para la eficiencia térmica del ciclo
como función de k, r y rp.
c) Evalúe el límite de la eficiencia cuando rp tiende a la unidad. Get solution
9-187 Reconsidere el problema 9-186. Determine la relación
del trabajo de retroceso para una relación fija de temperaturas
mínima a máxima, T1/T3, y determine el límite de la relación
cuando rp tiende a la unidad. Compare su resultado con la
expresión para la relación de trabajo de retroceso para el ciclo
de Otto para la misma relación de compresión y relación fija de
temperaturas mínima a máxima, T1/T3. Get solution
9-188 Usando software EES (u otro), determine los
efectos de la relación de compresión sobre la
producción neta de trabajo y la eficiencia térmica del ciclo
de Otto para una temperatura máxima de ciclo de 2.000 K.
Tome el fluido de trabajo como aire que está a 100 kPa y 300
K al inicio del proceso de compresión, y suponga calores
específicos variables. Varíe la relación de compresión de 6 a
15 con incrementos de 1. Tabule y grafique sus resultados
contra la relación de compresión. Get solution
9-189 Usando software EES (u otro), determine los
efectos de la relación de presión en la producción
neta de trabajo y la eficiencia térmica de un ciclo Brayton
simple para temperatura máxima de ciclo de 1.800 K.
Tome el fluido de trabajo como aire que está a 100 kPa y 300
K al inicio del proceso de compresión, y suponga calores
específicos variables. Varíe la relación de presiones de 5 a 24
con incrementos de 1. Tabule y grafique sus resultados contra
relación de presiones. ¿A qué relación de presiones se vuelve
máximo el trabajo neto? ¿A qué relación de presiones se
vuelve máxima la eficiencia térmica? Get solution
9-190 Repita el problema 9-189 suponiendo eficiencias
isentrópicas de 80 por ciento tanto para la
turbina como para el compresor. Get solution
9-191 Usando software EES (u otro), determine los
efectos de la relación de presiones, la temperatura
máxima de ciclo y las eficiencias de compresor y de turbina
sobre la producción neta de trabajo por unidad de masa y
la eficiencia térmica de un ciclo Brayton simple con aire como
fluido de trabajo. El aire está a 100 kPa y 300 K a la entrada
del compresor. También, suponga calores específicos constantes
a temperatura ambiente. Determine la producción neta de
trabajo y la eficiencia térmica para todas las combinaciones
de los siguientes parámetros, y saque conclusiones de los
resultados:
Relación de presiones: 5, 8, 14
Temperatura máxima del ciclo: 800, 1.200, 1.600 K
Eficiencia isentrópica del compresor: 80, 100 por ciento
Eficiencia isentrópica de la turbina: 80, 100 por ciento Get solution
9-192 Repita el problema 9-191 considerando la variación
de calores específicos con la temperatura. Get solution
9-193 Repita el problema 9-191 usando helio como
fluido de trabajo. Get solution
9-194 Usando software EES (u otro), determine el
efecto del número de etapas de compresión y
expansión sobre la eficiencia térmica de un ciclo Brayton ideal
regenerativo con compresión y expansión de etapas múltiples.
Suponga que la relación total de presiones del ciclo es 18, y
que el aire entra a cada etapa del compresor a 300 K y a cada
etapa de la turbina a 1.200 K. Usando calores específicos
constantes a temperatura ambiente, determine la eficiencia térmica
del ciclo variando el número de etapas de 1 a 22 en
incrementos de 3. Grafique la eficiencia térmica contra el
número de etapas. Compare sus resultados con la eficiencia de
un ciclo Ericsson que opera entre los mismos límites de temperatura. Get solution
9-195 Repita el problema 9-194 usando helio como
fluido de trabajo. Get solution
9-196 Un ciclo de Otto con aire como fluido de trabajo tiene
una relación de compresión de 10.4. En condiciones de aire
estándar, la eficiencia térmica de este ciclo es
a) 10 por ciento b) 39 por ciento c) 61 por ciento
d) 79 por ciento e) 82 por ciento Get solution
9-197 Para los límites especificados de temperaturas máxima
y mínima, el ciclo ideal con la eficiencia térmica más baja es
a) Carnot b) Stirling c) Ericsson
d ) Otto e) Las eficiencias de todos son iguales Get solution
9-198 Un ciclo de Carnot opera entre los límites de temperatura
de 300 y 2.000 K, y produce 600 kW de potencia neta.
La tasa de cambio de entropía del fluido de trabajo durante el
proceso de adición de calor es
a) 0 b) 0.300 kW/K c) 0.353 kW/K
d ) 0.261 kW/K e) 2.0 kW/K Get solution
9-199 Se comprime aire en un ciclo Diesel ideal de 2 a 0.13
L, y luego se expande durante un proceso de adición de calor
a presión constante a 0.30 L. En condiciones de aire estándar,
la eficiencia térmica de este ciclo es
a) 41 por ciento b) 59 por ciento c) 66 por ciento
d) 70 por ciento e) 78 por ciento Get solution
9-200 Se comprime gas helio en un ciclo de Otto ideal, de
20 °C y 2.5 L a 0.25 L, y su temperatura aumenta en 700 °C
adicionales durante el proceso de adición de calor. La temperatura
del helio antes del proceso de expansión es
a) 1 790 °C b) 2 060 °C c) 1 240 °C
d) 620 °C e) 820 °C Get solution
9-201 En un ciclo ideal de Otto, se comprime aire de 1.20 kg/
m3 y 2.2 L a 0.26 L, y la producción neta de trabajo del ciclo
es de 440 kJ/kg. La presión media efectiva para este ciclo es
a) 612 kPa b) 599 kPa c) 528 kPa
d) 416 kPa e) 367 kPa Get solution
9-202 En un ciclo Brayton ideal, se comprime aire de 95
kPa y 25 °C a 1 100 kPa. En condiciones de aire estándar, la
eficiencia térmica de este ciclo es
a) 45 por ciento b) 50 por ciento c) 62 por ciento
d) 73 por ciento e) 86 por ciento Get solution
9-203 Considere un ciclo Brayton ideal ejecutado entre los
límites de presión de 1.200 y 100 kPa, y los límites de temperatura
de 20 y 1.000 °C con argón como fluido de trabajo. La
producción neta de trabajo de este ciclo es
a) 68 kJ/kg b) 93 kJ/kg c) 158 kJ/kg
d) 186 kJ/kg e) 310 kJ/kg Get solution
9-204 Un ciclo Brayton ideal tiene una producción neta de
trabajo de 150 kJ/kg, y una relación del trabajo de retroceso
de 0.4. Si tanto la turbina como el compresor tuvieran una
eficiencia isentrópica de 85 por ciento, la producción neta de
trabajo del ciclo sería
a) 74 kJ/kg b) 95 kJ/kg c) 109 kJ/kg
d) 128 kJ/kg e) 177 kJ/kg Get solution
9-205 En un ciclo Brayton ideal, se comprime aire de 100
kPa y 25 °C a 1 MPa, y luego se calienta a 927 °C antes de
que entre a la turbina. En condiciones de aire estándar frío, la
temperatura del aire a la salida de la turbina es
a) 349 °C b) 426 °C c) 622 °C
d) 733 °C e) 825 °C Get solution
9-206 En un ciclo Brayton ideal con regeneración, se comprime
gas argón de 100 kPa y 25 °C a 400 kPa, y luego se
calienta a 1.200 °C antes de entrar a la turbina. La temperatura
más alta a la que se puede calentar el argón en el regenerador
es
a) 246 °C b) 846 °C c) 689 °C
d) 368 °C e) 573 °C Get solution
9-207 En un ciclo Brayton ideal con regeneración, se comprime
aire de 80 kPa y 10 °C a 400 kPa y 175 °C, se calienta
a 450 °C en el regenerador, y luego se calienta más a 1.000
°C antes de entrar a la turbina. En condiciones de aire estándar
frío, la efectividad del regenerador es
a) 33 por ciento b) 44 por ciento c) 62 por ciento
d) 77 por ciento e) 89 por ciento Get solution
9-208 Considere una turbina de gas que tiene una relación
de presiones de 6 y opera en ciclo Brayton con regeneración
entre los límites de temperatura de 20 y 900 °C. Si la relación
de calores específicos del fluido de trabajo es 1.3, la máxima
eficiencia térmica que esta turbina de gas puede tener es
a) 38 por ciento b) 46 por ciento c) 62 por ciento
d) 58 por ciento e) 97 por ciento Get solution
9-209 Un ciclo ideal de turbina con muchas etapas de compresión
y de expansión y un regenerador de efectividad 100
por ciento tiene una relación total de presiones de 10. El aire
entra a cada etapa del compresor a 290 K, y a cada etapa de
turbina a 1.200 K. La eficiencia térmica de este ciclo de turbina
de gas es
a) 36 por ciento b) 40 por ciento c) 52 por ciento
d) 64 por ciento e) 76 por ciento Get solution
9-210 Entra aire a un motor de propulsión por reacción a
320 m/s, a razón de 30 kg/s, y sale a 650 m/s en relación con
el avión. El empuje que desarrolla el motor es
a) 5 kN b) 10 kN c) 15 kN
d) 20 kN e) 26 kN
Get solution
Capítulo 8 - Soluciones Termodinámica Cengel & Boles 7ma edición - Chapter 8 - Solution Cengel Boles.
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
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
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