clase tema 3 y 4

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  • 8/19/2019 Clase Tema 3 y 4

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    Termodinámica Aplicada 

    Problemas Tema 3 y 4. 

    Problemas Tema 3: Sistemas cerrados 

    Problema 1

    Un gas en un dispositivo cilindro-pistón, sufre dos procesos consecutivos. Desde el

    estado 1 al 2 hay una transferencia de energía al gas mediante calor, con una magnitud

    de 500kJ, y el gas realiza un trabajo sobre el pistón con un valor de 800kJ. El segundo

     proceso, desde el estado 2 al 3, es una compresión a la presión constante de 400kPa,

    durante la cual hay una transferencia de calor, desde el gas, a 450kJ. También se

    conocen los siguientes datos U1=2000kJ y U3=3500kJ. Despreciando los cambios en la

    energía cinética y potencial, calcúlese el cambio en el volumen del gas durante el

     proceso 2-3, en cm3.

    Problema 2

    Un sistema cerrado de masa 2 Kg sigue un proceso en el que se transfieren 25 kJ en

    forma de calor cedido por el sistema al entorno. El trabajo realizado sobre el sistema

    durante el proceso es de 100kJ. La energía interna específica del sistema disminuye en

    15 kJ/kg y la elevación del sistema aumenta en 100m. La aceleración de la gravedad es

    constante, g=9,6 m/s2. Determine el cambio en la energía cinética del sistema en kJ.

    Problema 3

    Un sistema cerrado de masa 5 Kg sigue un proceso en el que hay una transferencia de

    calor del sistema al entorno a 150 kJ. El trabajo realizado sobre el sistema es de 75kJ. Sila energía interna específica inicial del sistema es de 450 kJ/kg. ¿Cuál es la energía

    interna específica del estado final (kJ/kg)?. Desprecie los cambios en energía cinética y

     potencial.

    Problema 4

    Un generador eléctrico acoplado a un molino de viento produce una potencia eléctrica

    media de 5kW que es utilizada para cargar una batería. La transferencia de calor de la

     batería al entorno es constante e igual a 0,6 KW. Determine la energía total almacenada

    en la batería (kJ) en 8h de operación.

    Problema 5Un gas en un dispositivo cilindro-pistón se comprime desde P1=3,4 bars, V1=0,0283m3

    hasta P2=8,2 bars en proceso para el que la relación entre presión y volumen es

    PV1,2=K. La masa del es 0,183kg. Durante el proceso la transferencia de calor desde el

    gas es de 2,3kJ. Determine el cambio en la energía interna específica del gas (kJ/kg).

    Los efectos de la energía cinética y potencial son despreciables.

    Problema 6

    Un gas recorre un ciclo termodinámico que consiste en los siguientes procesos.

    Proceso1-2: Presión constante, P 1=1,4 bars, V 1=0,028 m3 , W 12=10,5 kJ. 

    Proceso2-3: Compresión con PV=k. U3=U2.

    Proceso3-1: Volumen constante. U1-U3=-26,4kJ. No hay cambios apreciables en la energía cinética o potencial.

    Prof. D. Francisco García CórdovaDpto. de Ingeniería Térmica y de Fluidos Área de Máquinas y Motores Térmicos (UPCT)

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    Termodinámica Aplicada 

    a)  Represente el ciclo en un diagrama P-v.

     b) 

    Calcule el trabajo neto del ciclo (kJ).

    c) 

    Calcule el calor transferido en el proceso 1-2 (kJ).

    Problema 7

    Un gas está contenido en un dispositivo cilindro-Pistón como se muestra en la figura

    siguiente. Inicialmente la cara interna del pistón está en  x=0, y el muelle no ejerce

    fuerza alguna sobre el pistón. Como resultado de la transferencia de calor el gas se

    expande elevando al pistón hasta que tropieza con los topes. En ese momento su cara

    interna se encuentra en  x=0,06m  y cesa el flujo de calor. La fuerza ejercida por el

    muelle sobre el pistón cuando el gas se expande varía linealmente con  x  según

     F muelle=Kx, donde  K=9000N/m. El rozamiento entre el pistón y la pared del cilindro

     puede ser despreciado. La aceleración de la gravedad es  g=9,81 m/s2.El proceso ocurre

    lentamente sin aceleración del pistón. Los efectos de la energía cinética y potencial son

    despreciados.

    a)  ¿Cuál es la presión inicial del gas (kPa)?.

     b)  Determine el trabajo realizado por el gas sobre el pistón (J).

    c) 

    Si las energías internas específicas del gas en los estados inicial y final son 210 y

    335 kJ/kg. Respectivamente. Calcule el calor transferido en J.

    Problema 8

    El trabajo neto de un ciclo de potencia que opera como muestra la figura siguiente es

    10000kJ, y su rendimiento térmico es de 0,4. Determine las transferencias de calor Qe y

    Qs (kJ).

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    Termodinámica Aplicada 

    Problema 9

    Para un ciclo de potencia que opera como muestra la figura siguiente, el calor total

    transferido al ciclo Qe=500 MJ. ¿Cuál es el trabajo neto desarrollado (MJ), si el

    rendimiento térmico es del 30%?.

    Problema 10

    La fuerza de rozamiento ( Fr ) que ejerce el aire sobre un automóvil que se mueve con

    una velocidad (V) viene dado por, , donde Cr   es una constante

    llamada coeficiente de penetración, A es el área de la proyección frontal del vehículo y  ρ 

    es la densidad de aire. Para Cr =0,42,  A=2m2  y  ρ=1,23 kg/m3. Calcúlese la potencia

    requerida (kW), para vencer el rozamiento del aire a una velocidad constante de 100

    km/h.

    Problema 11

    Por un motor eléctrico circula una corriente de 10 A con un voltaje de 110V. El eje de

    salida del motor desarrolla un momento de 9,5 N.m y una velocidad de rotación de

    1000rpm. Todos los valores permanecen constantes con el tiempo. Determínese:

    a)  La potencia eléctrica que precisa el motor y la potencia desarrollada por el eje a

    la salida, en kW. b)  La potencia neta suministrada al motor en kW.

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    Termodinámica Aplicada 

    c)  La cantidad de energía transferida al motor mediante el trabajo eléctrico y la

    cantidad extraída del motor por eje, en kW.h, durante 2h de operación.

    Problema 12

    Un dispositivo cilindro-pistón orientado horizontalmente como indica la figura

    siguiente, retine aire. Inicialmente, P1=100kPa, V1=2x10-3  m3, y la cara interna del

     pistón está en  x=0. El muelle no ejerce ninguna fuerza sobre el pistón en la posición

    inicial. La presión atmosférica es de 100kPa, y el área de la superficie del pistón es

    0,018m2. El aire se expande lentamente hasta que su volumen es V2=3x10-3 m3, Durante

    el proceso el muelle ejerce una fuerza sobre el pistón que varía con  x  según  F=Kx,

    donde  K =16,2 x10-3  N/m. No hay fricción entre el pistón y la pared del cilindro.

    Determínese la presión final del aire, en kPa, y el trabajo hecho por el aire sobre el

     pistón, en kJ.

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    Termodinámica Aplicada 

    Problemas Tema 4: Sistemas abiertos 

    Problema 1A una turbina entra vapor a través de un conducto de 0,2 m de diámetro. La velocidad

    del vapor es 100m/s, supresión es de 14MPa, y su temperatura es de 600ºC. El vapor

    sale de la turbina a través de un conducto de 0,8m de diámetro con una presión de

    500kPa y una temperatura de 180ºC. Para la operación en situación estacionaría

    determínese:

    a) 

    La velocidad del vapor en la salida, en m/s.

     b)  El flujo (gasto) másico de vapor, en kg/s.

    Problema 2

    Un flujo de aire entra a un difusor que opera en situación estacionario con una presión

    de 0,7 bars, una temperatura de 57ºC y una velocidad de 200m/s. En la salida la presión

    es de 1 bar. Si el área de la sección de salida es un 20% mayor que la sección de

    entrada, determine la temperatura y velocidad del aire en la salida, considerando el aire

    como un gas ideal con calor específico constante determinado a la temperatura de

    entrada. Considere la transferencia de calor despreciable, el , la energía

     potencial es depreciable.

    Problema 3

    Un flujo volumétrico de 0,6 m3/min del refrigerante R-134a entra a un compresor que

    opera en situación estacionaría a 0,2MPa y 0ºC. Los diámetros de los conductos de

    entrada y salida son de 3 y 1,5 m, respectivamente. A la salida, la presión es 1Mpa y latemperatura de 50ºC. Si la potencia del compresor es de 3kW. Determine la velocidad

    de transferencia de calor de éste con su entorno, en KW.

    Problema 4

    Un compresor de aire llena rápidamente un depósito a 0,28m3, que inicialmente

    contenía aire a 21ºC y 1bar. Durante el llenado la relación entre el volumen específico y

    la presión del aire en el deposito es  PV 1,4=K . Puede considerarse que el modelo del gas

    ideal es aplicable al aire y que los efectos en las energías cinética y potencial son

    despreciables. Represente gráficamente la presión, en atm y la temperatura, en ºF, del

    aire dentro del depósito, cada uno de ellos frente a la relación m/m1, donde m1  es la

    masa inicial del depósito y m es la masa en el depósito en el instante t>0. Determina eltrabajo suministrado al compresor, en kJ, de acuerdo a la relación m/m1, donde m1 es la

    masa inicial del depósito y m es la masa en el depósito en el instante t>0. La relación

    m/m1, varia de 1 a 3.

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  • 8/19/2019 Clase Tema 3 y 4

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    Termodinámica Aplicada 

    Problema 5

    Una turbina adiabática opera en situación estacionaria tal y como muestra la figura. El

    vapor entra a 3 MPa y 400 ºC con un flujo volumétrico de 85 m3/min. Parte del vapor se

    extrae de la turbina a una presión de 5 bares y una temperatura de 180 ºC. El resto se

    expande hasta una presión de 0.06 bar y abandona la turbina con un flujo másico de

    40000 kg/h y un título del 90 %. Las variaciones de energía cinética y potencial pueden

    despreciarse. Calcular:

    a)  El diámetro, en m, del conducto por el que se extrae el vapor si su velocidad es

    de 20 m/s.

     b)  La potencia desarrollada, en kW.

    Problema 6

    Un flujo del refrigerante R-134a entra a la válvula de estrangulación de un sistema de

    refrigeración con una presión de 1,2 MPa y sale a 0,24 MPa con un título/calidad del

    30% ¿Cuál es la temperatura del R-134a en la entrada?

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    Termodinámica Aplicada 

    Problema 7

    Un flujo de aire, con un comportamiento de gas ideal, fluye en estado estacionario através del compresor e intercambiador de calor, tal como se muestra en la figura

    siguiente. Despreciando los intercambios de calor con el entorno y las variaciones de

    energía cinética y potencial, calcúlense, a partir de los datos de la figura, la potencia

    desarrollada por el compresor, en kW, y el flujo másico de agua de refrigeración, en

    kg/s.

     Nota: Cuando la sustancia esta en forma líquidah=hf (T).

    Problema 8

    Un vapor de agua a 80 ºC entra en una cámara de proceso de mezcla con un flujo

    másico de 0,5 kg/s (entrada1), donde es mezclado con vapor de agua a 20ºC (entrada 2).

    Determinar el flujo másico de la entrada 2, para que la mezcla salga a 42ºC de la

    cámara. Asumir que todos vapores tienen la misma presión de 250kPa. P=P1=P2=P3.

     p 2 = 263 kPa

    T  2 = 127 °C

    (AC)1 = 26,91 m3/min

    P  A = 2 bar P B = 1,5 bar

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    Termodinámica Aplicada 

    Problema 9

    Un refrigerante R-134a a 1MPa y 90ºC es enfriado a 1MPa a 30ºC en un condensador

     por aire. El aire entra a 100kPa y 27ºC con un flujo volumétrico de 600 m3/min y sale a95 kPa y 60ºC. Determinar el flujo másico del refrigerante.

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