Termodinamicaa.docx

1. Un motor térmico funciona en un ciclo de Carnot y tiene una eficiencia térmica del 55 por ciento. El calor residual de este motor se rechaza a un lago cercano a 60 ° F a una velocidad de 800 Btu / min. Determine (a) la potencia de salida del motor y (b) la temperatura de la fuente. Answers: (a) 23.1 hp, (b) 1156 R

2. Un motor térmico Carnot funciona entre una fuente a 1000 K y un sumidero a 300 K. Si el motor térmico se alimenta con calor a una velocidad de 800 kJ / min, determine (a) la eficiencia térmica y (b) la potencia salida de este motor térmico Respuestas: (a) 70 por ciento, (b) 9.33 kW 3. Un acondicionador de aire con refrigerante-134a ya que el fluido de trabajo se usa para mantener una habitación a 23 ° C al rechazar el calor residual en el aire exterior a 34 ° C. La sala gana calor a través de las paredes y las ventanas a una velocidad de 250 kJ / min mientras que el calor generado por la computadora, TV y luces asciende a 900 W. El refrigerante ingresa al compresor a 400 kPa como vapor saturado a un ritmo de 80 L / min y deja a 1200 kPa y 708C. Determine (a) la COP real, (b) la COP máxima y (c) la tasa de flujo volumétrico mínimo del refrigerante en la entrada del compresor para las mismas condiciones de entrada y salida del compresor. Respuestas: (a) 4.33, (b) 26.9, (c) 12.9 L / min

4. Una tonelada de agua líquida a 80 ° C se lleva a una habitación bien aislada y bien sellada de 4 mx 5 mx 7 m inicialmente a 22 ° C y 100 kPa. Suponiendo calores específicos constantes para el aire y el agua a temperatura ambiente, determine (a) la temperatura de

equilibrio final en la sala y (b) el cambio de entropía total durante este proceso, en kJ / K.

5. Considere el turbocompresor de un motor de combustión interno. Los gases de escape ingresan a la turbina a 450 ° C a una velocidad de 0.02 kg / sy salen a 400 ° C. El aire ingresa al compresor a 70 ° C y 95 kPa a una velocidad de 0.018 kg / sy sale a 135 kPa. La eficiencia mecánica entre la turbina y el compresor es del 95 por ciento (el 5 por ciento del trabajo de la turbina se pierde durante su transmisión al compresor). Usando las propiedades de aire para los gases de escape, determine (a) la temperatura del aire a la salida del compresor y (b) la eficiencia isoentrópica del compresor. Respuestas: (a) 126 ° C, (b) 0.642

6. Un dispositivo de émbolo-cilindro aislado de 0,40 m3 contiene inicialmente 1,3 kg de aire a 30 ° C. En este estado, el pistón es libre de moverse. Ahora se permite que el aire a 500 kPa y 70 ° C ingrese al cilindro desde una línea de suministro hasta que el volumen aumente en un 50 por ciento. Usando calores específicos constantes a temperatura ambiente, determine (a) la temperatura final, (b) la cantidad de masa que ha ingresado y (c) el trabajo realizado

Entropia 1. Se coloca un recipiente lleno con 45 kg de agua líquida a 95 ° C en una habitación de 90 m3 que está inicialmente a 128 ° C. El equilibrio térmico se establece después de un tiempo como resultado de la transferencia de calor entre el agua y el aire en la habitación. Usando calores específicos constantes, determine (a) la temperatura de equilibrio final, (b) la cantidad de transferencia de calor entre el agua y el aire en la habitación, y (c) la generación de entropía. Supongamos que la habitación está bien sellada y fuertemente aislada.

2. Un huevo ordinario se puede aproximar como una esfera de 5,5 cm de diámetro. El huevo está inicialmente a una temperatura uniforme de 8 ° C y se deja caer en agua hirviendo a 97 ° C. Tomando las propiedades del huevo para ser ρ = 1020 kg / m3 y Cp = 3.32 kJ / kg · ° C, determine (a) cuánto calor se transfiere al huevo cuando la temperatura promedio del huevo asciende a 70 ° C y (b) la cantidad de generación de entropía asociada con este proceso de transferencia de calor.

3. El vapor se expande constantemente en una turbina a una velocidad de 40,000 kg / h, ingresando a 8 MPa y 500 ° C y dejando a 40 kPa como vapor saturado. Si la potencia generada por la turbina es de 8.2 MW, determine la tasa de generación de entropía para este proceso. Suponga que el medio circundante está a 25 ° C. Respuesta: 11.4 kW / K

4. El agua líquida a 200 kPa y 15 ° C se calienta en una cámara mezclándola con vapor sobrecalentado a 200 kPa y 150 ° C. El agua líquida ingresa a la cámara de mezclado a una velocidad de 4.3 kg / s, y se estima que la cámara pierde calor al aire circundante a 20 ° C a una velocidad de 1200 kJ / min. Si la mezcla sale de la cámara de mezcla a 200 kPa y 80 ° C, determine (a) la tasa de flujo másico del vapor sobrecalentado y (b) la tasa de generación de entropía durante este proceso de mezcla. Respuestas: (a) 0.481 kg / s, (b) 0.746 kW / K

5. Un tanque rígido de 0,18 m3 se llena con agua líquida saturada a 120 ° C. Ahora se abre una válvula en el fondo del tanque, y la mitad de la masa total se extrae del tanque en forma líquida. El calor se transfiere al agua desde una fuente a 230 ° C, de modo que la temperatura en el tanque permanece constante. Determine (a) la cantidad de transferencia de calor y (b) la generación de entropía total para este proceso. 6. Se deja caer un bloque de hierro de masa desconocida a 185 ° F en un tanque aislado que contiene 0.8 ft3 de agua a 70 ° F. Al mismo tiempo, se activa una rueda de paletas impulsada por un motor de 200 W para agitar el agua. El equilibrio térmico se establece después de 10 minutos con una temperatura final de 75 ° F. Determine (a) la masa del bloque de hierro y (b) la entropía generada durante este proceso. 7. El gas nitrógeno a 400 K y 300 kPa se comporta como un gas ideal. Estime la Cp y Cv del nitrógeno en este estado, utilizando la entalpía y los datos de energía interna de la Tabla A18, y compárelos con los valores enumerados en la Tabla A-2b. 8. El gas nitrógeno a 800 R y 50 psia se comporta como un gas ideal. Estime la Cp y la Cv del nitrógeno en este estado, utilizando la entalpía y los datos de energía interna de la Tabla A18E, y compárelos con los valores enumerados en la Tabla A-2Eb. Respuestas: 0.250 Btu / lbm · R, 0.179 Btu / lbm · R 9. Utilizando las relaciones de Maxwell, determine una relación para (δs / δP) T para un gas cuya ecuación de estado es P (v - b) = RT. Respuesta: -R / P 10. Utilizando las relaciones de Maxwell, determine una relación para (δs / δv) T para un gas cuya ecuación de estado es (P - a / v2) (v - b) = RT. 11. Usando las relaciones de Maxwell y la ecuación de estado de gas ideal, determine una relación para (δs / δv) T para un gas ideal. Respuesta: R / v 12. Demuéstralo

13. Utilizando la ecuación de Clapeyron, calcule la entalpía de vaporización del refrigerante 134a a 40 ° C y compárela con el valor tabulado. 14. Determine el hfg de refrigerante-134a a 10 ° F sobre la base de (a) la ecuación de Clapeyron y (b) la ecuación de Clapeyron-Clausius. Compare sus resultados con el valor de hfg tabulado. 15. 0.5 lbm de un vapor saturado se convierte en un líquido saturado al ser enfriado en un dispositivo de pistón-cilindro cargado mantenido a 50 psia. Durante la conversión de fase, el volumen del sistema disminuye en 1.5 pies3; Se eliminan 250 Btu de calor; y la temperatura permanece fija a 15 ° F. Calcule la temperatura del punto de ebullición de esta sustancia cuando su presión es de 60 psia. Respuesta: 480 R

16. Determine el cambio en la energía interna del helio, en kJ / kg, a medida que experimenta un cambio de estado de 100 kPa y de 20 ° C a 600 kPa y 300 ° C usando la ecuación de estado P (v - a) = RT donde a = 0.01 m3 / kg, y compare el resultado con el valor obtenido al usar la ecuación de estado del gas ideal. 17. Determine el cambio en la entropía del helio, en kJ / kg · K, ya que sufre un cambio de estado de 100 kPa y de 20 ° C a 600 kPa y 300 ° C usando la ecuación de estado P (v - a) = RT donde a = 0.01 m3 / kg, y compare el resultado con el valor obtenido al usar la ecuación de estado del gas ideal. Respuestas: -0.239 kJ / kg · K, -0.239 kJ / kg · K 18. Estime el coeficiente Joule-Thomson de vapor en (a) 3 MPa y 300 ° C y (b) 6 MPa y 500 ° C.

Transiente 1. Un bloque de hierro de 30 kg y un bloque de cobre de 40 kg, ambos inicialmente a 80 ° C, se dejan caer en un lago grande a 15 ° C. El equilibrio térmico se establece después de un tiempo como resultado de la transferencia de calor entre los bloques y el agua del lago. Determine el cambio total de entropía para este proceso. Determine cuánto tiempo necesitarán para alcanzar el equilibrio térmico si la tasa de calor es de 50 kJ / s. R: // 0.892 kJ / kgK

2. Un tanque rígido aislado de 1.5 m3 contiene 2.7 kg de dióxido de carbono a 100 kPa. Ahora el trabajo de la rueda de paletas se realiza en el sistema hasta que la presión en el tanque se eleve a 150 kPa. La potencia suministrada por la rueda de paletas es de 5 kW. Determine el cambio de entropía del dióxido de carbono durante este proceso. Suponer calores específicos constantes. Calcule el tiempo necesario para alcanzar esa presión. R: // 0.7192 kJ / K y 52.17 s

3. El aire se comprime de manera constante con un compresor de 5 kW de 100 kPa y de 17 ° C a 600 kPa y 167 ° C a una velocidad de 1,6 kg / min. Durante este proceso, se produce cierta transferencia de calor entre el compresor y el medio circundante a 17 ° C. Determine la tasa de variación de entropía del aire durante este proceso y la pérdida de calor al ambiente. Supongamos que el calor específico es constante con la temperatura. R: // 0.0025 kW / K; 0.975 kJ / s

6. 5 kg de aire a 427 ° C y 600 kPa están contenidos en un dispositivo pistón-cilindro. El aire se expande adiabáticamente hasta que la presión es de 100 kPa y produce 600 kJ de salida de trabajo. Supongamos que el aire tiene calores específicos constantes evaluados a 300 K.

Determine el cambio de entropía del aire, en kJ / kg · K. Si el proceso necesita 1 hora, calcule la potencia producida por el dispositivo pistón-cilindro. 7. En una planta de energía geotérmica de un solo flash, el agua geotérmica ingresa a la cámara de evaporación (una válvula de estrangulación) a 230 ° C como un líquido saturado a una velocidad de 50 kg / s. El vapor resultante del proceso de evaporación instantánea entra en una turbina y sale a 20 kPa con un contenido de humedad del 5 por ciento. Determine la temperatura del vapor después del proceso de destello y la potencia de salida de la turbina si la presión del vapor a la salida de la cámara del destello es (a) 1 MPa, (b) 500 kPa, (c) 100 kPa, ( d) 50 kPa.

8. Un edificio con un volumen interno de 400 m3 debe ser calentado por un calentador de resistencia eléctrica de 30 kW colocado en el conducto dentro del edificio. Inicialmente, el aire en el edificio está a 148 ° C, y la presión atmosférica local es de 95 kPa. El edificio está perdiendo calor en los alrededores a una velocidad constante de 450 kJ / min. El aire se ve obligado a fluir a través del conducto y el calentador de manera constante por un ventilador de 250 W, y experimenta un aumento de temperatura de 58 ° C cada vez que pasa a través del conducto, que se puede suponer que es adiabático. (a) ¿Cuánto tiempo tardará el aire dentro del edificio en alcanzar una temperatura promedio de 248ºC? (b) Determine la tasa promedio de flujo másico de aire a través del conducto. Respuestas: (a) 146 s, (b) 6.02 kg / s