'2~ Se comprime aire ontd,aJlte un compresor de 12 k\V. deP, a P'!. Lo lelnperdtura del air..: se mnntiene constante a 2jCduranl. eSlC proceso. como resulllldo de la craJlsfeeencia~rmica ni encomo a IO"C. Delermine la Ill" de "-:unbiode encropdel aire. td'que la.... posicione< que se bicieron al resolver",te probloema. l/SP"esr. "11 WK725 Se Ir.lnslere calor. en b eanudad de 100 kJ. directamellee de UD depsito caliente a I 200 K o un depsito fro a6()() K. Calco.le el cambio de tropra de 10..dos depsito, ydct.ermint d ~ satisface el principIO de increnlento de en(ro-pln.

FIGURAP723

JO"C

GAS IOEAL4Q'C

Calor

'22(' El vapor de agua se acelera al fluir por una tobernreal adl.b6,i.a. La encropI. del vapor en lo salida ser (mayorque. Igual a."",IOS que) lo encr""u en la emreda de la lobera.'23 Un tanque rgido condene un gas ideal a 40C que seagita por una ruedo de paleta s. L., rueda de pale"" realiza200 Ude tmbajo sobre el go< ideal. Se oose"", que la tempe-rorura del gos ideaJ permanece co""" ... duranle esre proceso.como re.ulston ti Icono If .....de canprensl6n y .. requ..,. """ecmputadorapara ""''''erIO$, de preferenciaoon el softwarefES queacompalta o este 1... 0.

La entropra y el principio del incremento de entropra71(' Un ciclo para el que t 6Q > O viola la desigualdadde Clausiu\1 Por qu?

72( La integral cclica del lrab.jo ,iene que ser cero (e.decir, Wl d.!tlcm.ttiene que producir 'MfO 'J'3baJo como CUDSUme p3I'3 completar un ciclo)? E.plique

73C lin 5iO-m ,rre,etO es mayor el cambio de entro-pI.? Por qu'!

7~(' t11valor de la integral f,6Q1T es el mismo para todoslo> procesos entre Jos estados I y 27 Explique.'$e El valor de la integral f,6Q/T es el mismo para todosos p

7-J6E 2 Ibm de agua a 300 psi. llenan un dspositivo de ei-lindJo.mbolo. CU}Ovolumen es 2.5 pies'. El :.gua se e:dienlatuolo a presin constante hasta que 13 tempcrarura lleCa aSOO'F.Determine el cambio resultante en l. entropa lexal delatua. RISC';"'" e 474 9hJ'R

FIGURA P7-35E

735E Entr. "'.opor de RI34a a una nubina a 250 ps. Y17,SF. La lCmpetarura del RI34. se reduce a 2O"F en ~l.1urbena mientras su entrOpCa ~pcdrlCa permanece constante.Determine el cambio en la cDtrupla del RI34

7-45 ~ Reconsidere el problema 7-44. Usando software;;EES (u otro). evale y graque el trabajo realiza-

do por el rerigerante como fuocin de l. presin final al va-riarla de 0.8 a 0.4 MPa. Compare el trabajo realizado para esteproceso con otro en el que la temperatura es constante para elmismo rango de presin. Explique sus resultados.

746 Entnl refrigeranle 134a a un compresor adiabtico co-mo vapor saturado a 160 kPa a razn de 2 m'/min y se com-pme a una presin de 900 kPa. Determine la potenciamnima que se debe suministrar al compresor.

7-47 Un dispositivo de cilindro-mbolo bien aislado contiene0.05 m' de vapor de agua a 300 kPo y 150"C. El vapor se com-

FIGURA P744

RI34a

0.05m'O.8MPa

rt

contiene J.5 kg de agua lquida comprimida a 300 kPa y60C. mientras la otra parte se vaca, La pared se quita ahoray el agua se expande para llenar todo el tanque. Determinar elcambio de enrropa del agua durante este proceso. si la pre-siu tinal en el tanque es 15 kPo. Respuesta. -0.114 kJlK7-41 el Reconsidere el problema 740 usando software

EES (u otro), evale y grafique la entropla gene-rada como funcin de la temperatura del entorno y determinelos valores de las temperaturas del entorno que son vtidas pa-ra este problema. Supouga que 1ass temperaturas del enlomovar.n de O a 100'C. Explique sus resonados.

'-'lE Un dispositivo de ciUndro-mbolo contiene 2 lbm derefrigeran le 134. a 120 pSI. Y lOO'F. El refrigerante se enfraahora a presin constante hasta que existe Como lIquido a50'F. Determine el cambio de entropa del refrigerante duran-te este proceso.

743 Un dispositivo aislado de cilindro-mbolo contiene 5 Lde agua liquida saturada a una presin consiame de 150 kPa.Un calersador de resistencia elctrica dentro del cilindro seenciende ahora y se transfiere una energa de 2 200 kJ al aguaDetermine el cambio de entropa del agua durante este proce-so. Respuesta' 5,72 kJ.'K74;1 Un dispositivo aislado de cilindro-mbolo contiene0.05 m' de vapor saturado de refrigerante 1348 a una presinde 0,8 MPa. El refrigerante se deja ahora expandirse de mane-ra reversible hasta que la presin cae a 0.4 MPa. Determine alla temperatura final en el cilindro y b) el trabajo realizado porel refrigerante.

FIGURA P740

1.51:gI(qurdo

c:omprimdo Vaco

300 kPa6O'C

7-10 C-"'l Un tanque rgido estd dividido en dos partes'l\).,. iguales por una pared. Una parte del tanque

FIGURA P7-39

IV.

738E I lbm de R134a se expande isentrpicamenre en unsistema cerrado de 100 psia y 100'F a 10 psia. Determine latransferencia total de calor y la produccin de trabajo para es-te proceso.

739 Un tanque rgido bien aislado contiene 2 kg de un va-por hmedo de agua a 100 kP3. lnicialmenre, tres cuartas par-les de la masa se encuentra en la fa", lfquida, Un calersadorde resistencia elctrica colocado en el tanque se enciende ano-ra y se mantiene encendido hasta que todo el lfquido del tan-que se vaporiza, Determine el cambio de entropa del vapordurante este proceso. Rtsp0J6sta' 8 10 KJ'K

FIGURA P737

737 Emra vapor de agua a un compresor a 35 kPa y 160'Cy sale a 300 kPa con la misma entropa especifica que tena ala entrada, Cul es la temperatura y la entalpa especifica delagua a la salida del compresor?

Entropa406

FIGURA P7-56 E

O.~ 1.0r, Blullbm . R

soo

...;

, uo

7-S6F. Calcule la transferencia de calor, en Blltllbm, para elproceso reversible de flujo estacionario 1-2 que '0 muestra enun diagrama Tos en la figura P7-56E.

fiGURA P7-55

v. kJikg' K1.0o.o;

.i--' 1~

.1(' ti)

7-55 Calcule la transferencia de calor. en llkg. para el pro-ceso reversible dI! flujo estacionario 1-3 que se muestra en undiagrama 70.en la figura P7-55, Resoueue. 341 k.i'hg

FIGURA P7-54

0.2 1.0S. kJ/K

tO\)

407Capilulo 7

;-54 Oetennine la transferencia tOl3Ide calor para el proce-'o reversible 12 que se muestra en la figura n-54.

FIGURA P7-53

2 3S. kJlK

753 Determiue la transferencia total de calor par. el proce-50 reversible 1-3 que se muestra en la figura P7-53.

FIGURA P752

R'3 240l..Pl.IZO'C

mme ahora de manera reversible a una presin de I MPa. De-lamine el "abajo realizado sobre .1 vapor durante este proceso.--18 9Reconsidere el problema 7-47. Usando software

. EES (u otro), evale y grafique el IrJbajo realiza-.JI)sobre el vapor como funcin de la presin final al variar la;ns'n de 300 kPa" 1 MPa.-~9 Un disposirivc de cilindro-mbolo contiene 1.2 kg de"3Xlrsarurado de agua. 200'C. Ahora se transfiere calor al.apor y ste se expande reversible e isotrmicamerue a una.;nsin flnal de 800 kPa. Determine la transferencia de calor yel trabajo realizado durante este proceso.'-;:0 ~ Reconsidere el problema 7-49. Usando software

liiIiIi EES (u otro) vale y gruque la transferencia decalor al vapor de agua y el trabajo realizado como funcinde la presin filial al variar la presin del valor Inicial al fi-=->! de 800 kPa.-;:1 Se comprime iscntr6picamente agua a 1000Cy calidadde 81.4 por ciento eo un sistema cerrado a 3 MPa, Cuntotrabajo necesita este proceso, en kJlkg'-52 Refrigeranre-Ba a 240 kPa y 20'C sufre un procesois

Cambios de entropa de sustancias incompresibles766C Considere dos bloques slodo>.uno caliente y el Otrofro. que se ponen en contacto en un eomenedor adiabtico.De'pus de un tiempo. se establece el equilibrio trmico en elcontenedor Como resultado de la rransferenciu de calor. Laprimera ley exige que la cantidad de ene"r. que pierde el se-lido caliente sea .gual a la canlidad de energfa que gana elfrlo. La segunda ley exige que la d.snunuciOOde entropla del.lido eahente sea igual al aumento de entropla del frio?

767 Un bloque de cobre de SO kl inicialmenle a 8O"C seecha dentro de Un tanque aislado que conuene 120 L de aguaa 2SC. Determine la temper:lIura de equihbno final y el cam-bio tOllllde entropa para este proceso,

FIGURA P765E

RI34a140 psia70'F

23 El '_por se expande en un proceso adJabueo reversibleh..". que l. presiOOes de IS kPa.

a) H'a' un esquema de este peoeeso con respecto a las IInellSde snturacln en un solo diagrnma 'f'.,.bl Determine el calor U'W1sferidoal vapor en el proceso 1.2,en kJ.el Determine el trabajo que realza el vapor en el proceso 23.en kJ.

76-1 Entra '''POf de agua a 6 000 kP. YSOO'Cen una turbi-n. de Oujo esteconaro. El 'ilIpOI' se .. pwxlc en la turbinanlienl"" ,..,10.... trabajo ha". que la pre..OOes de 1 000 kPJ.CUando l. p!e>lOOes de I 000 kPa. se loma de la turbina 10por ciento del vapor para Otros u_ El 90 por ciento restantese slgue expandiendo por la IUrbina rea"tando trabajo y saled. la IUrol",' u 10 kPa. Todo el procese de expansin del vapor por la turbina es reversible y adiabtico.III Ha,. un esquema del proceso en un diagrama 'f'.s con res.pecto a las Unea. de saturacin. Asegu, ese de etiquetar los es.toldo>dados y las lineas de prtlanleb) SI la lurbon.atiene una eficiencia iS761 U,\, oUa de presin de vapor rgida de 100 L est pro-,isla de UII.I vlvula d. alivio de presi6n aju'tada para liberarvapor y mantener l. presin intenor una "el que sta Uega a200 ~Pa. Iruc.alme.lIe la 011. se Uena de agua a 200 lePa conuna calidad de 10 por ciento, Abara 50Dareg' calor Insta quela calodad dentrO d. la oUa e. SO por c.enro, Odermioe elcamb.o mnimo de entropa del dep6ito de energa trmicaque suministra el calor.

762C En el problema anterior. el aguo se oita al mismotiempo que se calienta. Determine el cambio nnimo de entro-pr. de l. fuente suministrador. de calor si se realiza un traba-jo de 10()kJ sobre el agua al caleniars e,

7-63 Un d.""",itiVO de cilind~mbolo contiene S kg de ,...por de ligua a 10000Ccon una cahdud de .so por ciento. Estev.por ,ufre dos procesos como >I,ue:

12 El calor se transfiere al vapor de manera revCf>lble.men-Inl! In u.."fllperorura se mantiene constante. tn'la que el vaporexista como vapor saturado.

suU".101)' e

FIGURA P760

I

" TURBINADE VAPOR

7.$7 U.:lndo la relacin ds ~ (8Q/T),,. ... pnr3 la derucnde ent'cpiJ. calcule el cambio en l. enlropi. especffica del R134. cuandc se calienta a presin constante de 200 kPa desdeliquido snturtdo hasta vapor saturado, Use 1'$ tabl de Rl34n pllra verificar su respuesta.

758 S. expande vapor en una turbina I.entrpica con unaola ... Iid. y una sola entrada. En l. entrnd el "apor est a 2MP. Y J(ffC, La presiOOdel vapor a la saUda es de 100 )oPa.Cntcule el trabajo que produce '''Ia turbina. en kJlkg.7591. FJ comprC>Or de un rern,erado< comprime vapors.lUr3do de R J 34a a WF a 200 p>Ja. Calcule el trabajo quenecesua este compresor, en Btullbm. cuando el proceso decomprelln ev isentrpico.

760 Una turbina de vapor isentrpica procesa S kgls de va-por de usua a 4 MPa. la mayor parte, del cual sale de la turbiona a SO kP. Y 100"C, A 700 kPa, cinco por ciento de Oujo d.la turbma se desva para calentar el ligua de ahmeraacln, De-tennone l. potencia que produce ",Ia turbina. en lW.Rtf: "'8 ..W

Entropa408

7-82 Cul de dos gases, helio o nitrgeno. experimenta elmayor cambio de entropa al cambiar su esredo de 2 000 kPuy 427'C a 200 kPa y 27'C?78JE Se expande aire de 200 psi. Y SOO'F a 100 psia y50F. Suponiendo calores especccsconstantes. determine elcambio en le entropa especffica del aire.Resouesta, . 0.106 Btu/lbm . R

784 Determine la temperatura final cuando se expande aireiseurrpicamentc de I 000 kPa y 477"C a 100 kPa en un dis-positivo de cilindro-mbolo,

Cambiode entropa de ases ideales77~C Demuestre que la, dos relaciones para cambio de en-tropra de gases ideales bajo la suposicin de calores es pec-cos constantes (ecuaciones 7-33 y 7.34) son equivalentes.77SC Comenzando COnla segunda relacin r ds (ecuacin7.26). obtenga la ecuaci6n 734 para el cambio de entropa degases ideales bajo la suposicin de calores especeos cous-tantcs,

776C Algunas propiedades de los gases ideales tales comol. energa interna y la enullpla varan 5610 con la temperatura[es decir, u = lI(r) y " = h(T)]. Es tambin ste el caso pa-ra la entropa'

777C Comenzando con la ecuacin 734, obtenga la ecua-cin 743.

778C Cmo se llaman P, y v;? Su uso se limita a proce-sos isentrpicos? Explique.

779C La cntropfa de un gas ideal puede cambiar durarseun proceso sotrmko?

780C Un gM ideal sufre un proceso entre dos temperaturasespecificadas dos veces: primera vez, presin constante: ysegunda vez, a volumen constante. Par..! cul caso expertnan-IlIrel gas ideal un mayor cambio de entropa? Explique.

7-S1 Cul es lu diferencia entre eutropas de oxgeno a 150kPa y 39'C y oxgeno a ISO kP y 337C. por unidad de ma-sa?

FIGURA P7 73

manera reversible. Determine la entrada de trabajo usando ti)datos de entropa de la tabla del lquido comprimido. b) el vo-lumen especfico de agua en la entrad. a la bomba y los valo-re.' de presiones. d el valor promedio de volumen especcode agua y valores de presiones. Tambin determine los erroresde aproximacin en 10.' incisos b) y e).

409Captulo 1

773 Una bomba adiabtica se va fa usar para comprimiragua lquida saturada a 10 kPa a una presin de 15 MPa de

FIGURAP772

'"'0068Diez gramos de chips de computadora con un calor es-pecfico de 0.3 kJlkg . K estn inicalmeme " 20C. B.,tOScbips se enfran colocndolos en S gramos de R-134 saturadoliquido a -4QC. Suponiendo que la presin permanece cons-tanle memras los chip. se esln enfriando. determine el cam-bto de entropa de a) los chips. b) el RI34. y e) todo elSoISlema.Es posible este proceso? Por qu'!;69 Un bloque de hierro de 25 kg. inicialmente a 3S0C. seenfra en un tanque aislado que contiene lOOkg de agua aIS'C. Suponiendo que el agua que se vaporiza durante el pro-ceso se recondensa en el tanque, determine el cambio toral deentropa durante el proceso.-70 Un bloque de aluminio de 20 kg inicialmente a 2OO'Cse pone en conracto con UD bloque de 20 kg de hierro a 100'Cen un contenedor aislado, Determine la tcmperarwa final deequilibrio y el cambio tOlalde entropa para este proceso.:'spuest8S: 168.4'C: 0.169 kJIK771 !i.'IReconsidere el problema 770. Usando el softwa-

lii:iIiI re EES (u otro). estudie el efecto de la masa delbloque de hierro sobre la temperatura final de equilibrio y elcambio total de entropa par. este proceso. Haga vanar la rna-sa del hierro de 1 a 10 kg. Graque la temperatura de equili-brio y el cambio total de entropa como funcin de la masa dehierro. y explique los resultados.

7-72 Un bloque de hierro de 50 kg Y un bloque de cobre de10 kg. ambos con temperatura inicial de 800C. se dejan caeren un gran lago a ISC. Se establece el equilibrio trmico des-pus de un tiempo como resultado de I transferencia de calorentre los bloques y el agua del lago. Determine el cumbio lo-tal de eraropta para este proceso.

FIGURA P7 -67

I20L

'-lOO Oxgeno a 300 kPa y 9O'C fluye con velocidad pro-medio de 3 mIs y se expande en una tobera adiabtica. Culos la velocidad mxma del oxigeno a la salida de esta loberacuando la presin de salid. es de 120 kPa'Respuesta. 390 mis

7~lOt Se expande aire en una tobera adiabtica durante unproceso pclitrpico con" = 1.3. Entm a la tobera" 700 kP. YlOO'C Con una velocidad de 30 III/s. y sale a una presin de200 kPiI.Calcule la temperarura del aire y la velocidad a la Saolid"de l. lobera,

FIGURA P7-99

120 kl'aJO'C

Compresord nitrgeno

J6OO1eP.

'-96 a Reconsidere el problema 7-95. Usando softwareIiiiii BES (u 0110). investigue el efecto de la presin fi

nal en la masa tinal en el tanque al variar la presin de 4S0 a150 kPa. y grafique los resultados.7-!I7E Entrn aire a una tobera lIdiabtica " 60 psia, S40oP)'200 pies/s. y sale a 12 psia. Suponiendo que el aire es un ga'ideal con calores especcos variables e ignorando cualquierirrever~hiJidlld, determine la velocidad de salida del aire.

'-98E Entra aire a una turbina isentrpica a 150 psi. y9000P por una seccin de entrada de-O.S pies1 con una veloci-dad de 500 pies/s. Sale. I S psi. con una velocidad de 100pies/s, Calcule In temperatura del aire a la salid. de la turbinay la potencia que produce esta turbina, en hp.7-99 Nitrgeno a 120 kPa y 30"

Trabajo reversible de flujo estacionarlo7-IORC En compresores grandes, a menudo se enfra el gasmientras se comprime, para reducir el consumo de potenciadel compresor. Explique cmo este enfriamiento reduce elconsumo de poceucia.7-109C [.a. turbinas de vapor de las plantas termoelctricasoperan esencialmente bajo condiciones adiab(tticm;. Una inge-niera de planta sugiere acabar Con esta prClica. Ella proponehacer pasar agua de enfriamiento por la superficie exterior dela carcasa para enfriar el vapor que fluye por la turbina. Deesta manera. razona, la entropa del vapor disminuir, el de-sempec de la turbina mejorar y. como consccueocia, la pro-duecin de traoojo de la tuobinil aumentar. Cmo evaluarlaUSleU esta propuesta?7-11OC Es bien sabido que l. potencia que consume uncompresor se puede reducir enfriando el gas durunte la com-presin. Inspinndose en esto, alguien propone enfriar el lfqui-do que Jluye por una bomba paro reducir el consumo depotencia de la bomba. Apoyar. uSIC

ma que puede tener el agua lquido a lo salida de la bomba.Desprecie los cambios de energa cintica)' potencial del agua.y torne el volumen especifico del agua come 0.001 m'/kg.Respuesta, 5 100 kP.'-116 Considere una planta termoelctrica que opera entrelos limites de presin de 10MP. y 20 kl'3. El vapor de aguaentra a la bomba como lquido saturado y sale de la turbinacomo vapor saturado. Derermine la relacin del trabajo produ-cido por la turbina al trabajo consumido por la bomba. Supon-ga que el ciclo completo es reversible )' las prdidas de calorde la bomba y la turbina son despreciables.

7111 a Rece ..sidere el problema 7-116. Usando el so-lii:2 ware BES (u Otro). investigue el efecto de la ca-

lidad del vapor a la salida de la turbina sobre la produccinneta de trabajo. Haga variar la calidad de 0.5 a 1.0. )' grafiquel. produccin neta de trabajo como funcin de dicha catidad

'-11M Entra agua lquida a 120 kPlI a una bomba de 7 kWque eleva su presi6n a S MPa. Si la diferencia de elevacin en-tre los niveles de entrada y salida es lO 111. determine el flujomsico ms alto de agua lquida que puede manejar esta bom-ba. Desprecie el cambio de energla cintica del agua y lome elvolumen especffico como 0.001 m'/kg.

'-1191:: Se comprime gas helio de 14 psi. y 70F. 120psiaa razn de 5 pies'/s. Determine la entrada de potencia al COm-presor. suponiendo que el procese de compresin es a} isen-trpico. b) politrpico, con 11 = 1.2. e) isotrmico y d) ideal.politrpico de dos etapas con 11 ~ 1.2.

7-120.1:: ~ Reconsidere el problema 7-LJ9E. Usando so-1Ii!iiI1Vru:c EES (u Otro). evame y grafique el trabajo

de compresin y el cambio de entropa del helio como fundo-nes del exponente pOlitrpico cuando vara de 1 a 1.667. Ex-plique sus resultados.

7-121 Las etapas de compresin en el compresor axial de laturbina industrial de gas son de ac-ople cercano, lo cual hacemuy imprctico el interenfriamiento. Para enfriar el aire en es-tos compresores y para reducir la potencia do compresin, sepropone rociar agua pulverizada con tamao. de gota del or-den de 5 micras en el flujo de aire mientras se comprime, yenfriar continuamente ,,1 aire al evaporarse el agua. Aunque lacolisin de las gota, de agua con 105 :!lobosgiratorios es unmotivo de preocupacin, la experiencia con turbinas de vaporindica que pueden resistir concentraciones de gotas de aguahasta de 14 por ciento. Suponiendo que el aire se comprimeisentrpicamente o razn de 2 kgls de 300 K )' 100 kPa a1200 kP3 )' el agua se inyecta a un. temperatura de 20'C razn de 0.2 kg/s, determine la reduccin eu la temperatura desalida del aire comprimido. y el ahorro en potencia del com-presor, Suponga que el agua se vaporiza por completo antesde salir del compresor, y suponga lll1 flujo msico promediode 2.1 g/s en el compresor.

'-122 Reconsidere el problema 7-121. El compresor conagua inyectada se usa en una planta elctrico de turbina degas, Se asegura que l. produccin de potencia de una turbinade gas aumentar por el aumento en el Ilujo msico del gas(aire ms vapor de agua). Est u,tetOOkPa

Bo.\ffiA

'-115 Entra agua liquida a una bomba de 25 kW a un. pre-si611de lOOkPa. a razn de 5 kgls. Determine la presin m:lxi-

FIGURA P7-114E

0.1 1.7V.pl

7-136 m\IIReconsidere el problema 7-135. Usando softwarelIiiiiiiI EES (u otro), rehaga el problema incluyendo Jos

efectos de la energa cintica del tlujo suponiendo una relacinde rea, entrada-salida de 1.5 para el compresor. cuando eldlmeiro inrerior dcllUbo de salida del compresor mido 2 cm.1-137 Entra aire a un compresor udiabtico a 100 k.Pt. Y17C n razn de 2.4 m)/s. y sale a 257C. El compresor tieneuna eficiencia isentrpica de 84 por ciento. Despreciando loscambios en energas cintica y potencial. determine a) la pre-,in de salida del aire y b) la potenciu necesaria para accionarel compresor,7138 Se comprime aire en un compresor a413Capitulo 7

7-132 Entra vapor de agua a una turbina adiabrica a 7MPa,600C y 80 mis. y sale a 50 kP". 15O"Cy 140 mis. Si la pro-duccin de potencia de la turbina es d. 6 MW. determine a) elflujo msico de vapor que fluye por la turbina y b) la eficien-cia isemrpica de la turbina.Respues,.b, al 6 95 ~g$;b) 73.4 pO< CIentO

fIGURA P7-131

Vapor sal.

600 kPa5O'C

". J~R-13-1;o (\

?

~clencias is,ntrpicas de dispositivos flujo estacionario--BC Describa el proceso ideal para al una turbina adia-'!Il{ca, b) un compresor adiabtico y e) una lobera adiabtica,defia. l.eficiencia isentrpica para cada dispositivo.

--J~C .EI proceso semrpico es un modelo adecuado para;ompresores que se enfran intencionalmente? Explique ..-..J15C En un diagrama T-s, el estado real de salida (estado~ de una turbina adiabtica tiene que estar del Indo derecho

FIGURA P7-150

7-149 Se p

FIGURA P7160

. -I

AceroooUolable .lO'C

~~"~

S

1160 Largas .arillas oilrndricQs de acero {p = 7833 k8im'y (',.= 0.465 kJlkg . C). de 10 cm de dimetro, se someten uun trntamiemo trmico b"d~ndoll1Spasar 3 una velocidad de 3",/min por un horno de 7 m de longitud que", mannene o9OO'C.Si las ,>arilla' entran al horno a 3()"C. ) salen Q 7C)(JC.delcnnine a) la (a,o d. rran,fuutcal b_o en el toempo en que la temperatura prome-dIO del huevo sube a 7iay 10(rF 3 vapor Silll!rOOO ~ 10psi a, Determine la ge-otr..oo de 4 000 kWh. Oc termine l. rasa do gene->o:,nde entropa en 1.. plonta. R_$U O0505 kV

7-169 Un tanque rigido de 0.3 m' se llena con agua lfquidasaturada a ISO"C. Ahora se abre una vlvula en el fondo deltanque y lentamente se saca la mitad de l. mase lotal del tan-que en fase Hquida. Se transfiere calor al agua de una fuente a2OO'C. de modo que la temperatura en el tanque permanececonstante. Determine a) la cantidad de transferencia de calor yb) la generacin total de entropa para este proceso.7170E Un bloque de hierro de masa desconocida a 185FSe echa en un tanque aislado que contiene 0.8 pie" de agll. a700F. Al mismo tiempo, un. rueda de paletas accionada porun motor de 200 W se activa par. agitar el agua, Se csUlbleccel equilibrio trmico despus de 10 mio, con una temperaturafinal de 7SF. Determine a) In m8S3del bloque de hierro y blla entropa generada durante este proceso.7-171E Entra aire JI un compresor a condiciones ambientesde IS psia y 6O"F. Con una baja velocidad. y sale a ISO psia.6200F y 3S0 pies/s. El compresor

rran como resultado de cambiar ni compresor de 25 bp durante60 por ciento del tiempo.7178 Las necesidades de aire comprimido de una planta sesatisfacen mediante un compresor de tornillo de 125 hp. Laplanta detiene la produccin durante una hora cada da, inclu-yendo los fines de semana. para almuerzo; pero el compresorsigue operando. El compresor consume 35 por cien10 de lapotencia nominal cuando est en marcha en vaco. y el costounitario de l. electricidad es de US$O.09IkWb. Determine lascantidades de energa y de dinero que se ahorran por ao co-mo resultado de apagar el compresor durante la pausa para al-muerzo. Tome la eficiencia del motor a carga parcial OOInO84por ciento.7179 Las necesidades de aire comprimido de un. planta sesatisfacen con un compresor de 150 hp provsto de un inter-enfriador, Un posenfriador y un secador refrigerado. La plan laopera 4 800 h/ao, pero el compresor se estima que comprimeaire solamente durante un tercio de las horas de operacin) esdecir. I600 horas al ao. El compresor e.

FIGURAP7-193

Q

7-192 Un tanque rrgido contiene I.S kg de agua a 120"C y500 kPa. Ahora se aplica un trabajo de eje de 22 kJ sobre elsistema, y la temperatura final en el tanque es de 9SoC. Si elcambio de entropa del agua es cero y el entorno e Es posible expandir agua a 30 psin )' calidad d. 70por ciento a 10 psia en Un sistema cerrado experimentando unproceso isotrmico reversible mientras intercambia calor COnun dep6,ito de energa a 300F?

fiGURA P7-184

IU

7-182 Los compresores de una planta de produccin IIIJU1tie-nen las lineas de aire comprmdo a una presin (rnanomtn-ca) de SSOJd>a a una elevacin de I 400 m donde la presinatmosfrica es de 85.6 kPo. La temperatura promedio del airees de 15C a la entrada del compresor y de 2SoC en las lineasde aire comprimido. La planta opera 4200 h1aio, y el preciopromedio de la electricidad es de USSO.07/kWh. Tomando laeficiencia del compresor como 0.8. la eciencia del motor co-000 0.93 y el coeficiente de descarga como 0.65. determine l.energa y el dinero que se ahorran por ao sellando Una fugaequivalente a un agujero de 5 mm de di:metro en la lnea deaire comprimido.

Problemas de repaso7-I83E Una mquina trmica cuya eficiencia trmica es 40por ciento usa un depsito caliente a l 300 R Y un depsitofrlo II500 R. Catculc l cambio de entropa de los do. depsi-tos cuando se transfiere 1 Bto de calor del depsito caliente ala mquina. Esta mquina satisface el principio de incremen-to de entropa'! Si la eficiencia trmica de Ja mquina trmicase aumenta a 70 por ciento. se satisfar todava el principiode incremento de entropa?

7-184 Un refrigerador con un coeficiente de desempeo de 4transfiere calor de una regin fra a -20C a un regin calien-te 3 30C. Calcule el cambio total de ent'Opla de las regionescuando se transfiere 1 kJ de calor de la regin fra. Se ,"US-face la segunda ley? Este refrigerador satisfar todava la se-gunda ley si su coeficiente de desempeo es 67

Entropa418

'20>1 Una turbina do vapor est equipada para purgar 6 porciento del vapor de entrada para calentamiemo del agua de ali-mentacin. Se opera COnvapor de 4 MPa Y350'C en la entra-da, una presin de purgo de 800 ltPa y una presin de escapede 30 .kPa. Calcule el trabajo que produce esta turbina cuandola eficiencia isemrpica entre la entrada y el punto de purga es97 por ciento y la eficiencia lsentrpica entre el punto de puroga y el escape es 95 por ciento, Cul es la eficiencia isentro-pica 10lal de la turbina? Pista: Trate esta turbina corno dosturbinas separadas, Una que opera entre las condiciones de laentrada y la purga. y la otra operando ..ntre las condiciones dela purga y el escape.

FIGURAP7203

-IZ'C

'-200 Se comprime bixido de carbono en un procesorever-sible isotrmico de 100 kPa Y20C a 400 kPa usando un dis-positivo de Dujo estacionario con una entrada y una salida.Determine el trabajo necesario y la transferencia de calor, amobos en kJlkg. para esta compresin.7201 Reconsidere el problema 7-200. Determine el cambioen el trabajo y la transferencia de calor cuando el proceso decompresin es senuopco en lugar de isotrmico.7202 El compresor de un refrigerador comprime vapor sa-turado de R-134a a -IOOC a 800 kPa. Cun lo rrabejo. enkJlkg, necesita este proceso cuando es isentrpico?7203 En algunos sistemas de refrigeracin se usa un rubocapilar adiabtico para hacer caer la presin del refrigerantedel nivel de condensador at nivel del evaporador. Entra R134. al tubo capilar como lquido saturado a sooC, y sale a-12C. Determine la tasa de generacin de entropa en el tu..bo capilar para un Ilujo msico de 0.2 kgls.Respuesta, 0.0077 kWIt(

fiGURA P7199

500 kJ'lI

O.~m)Vapor

saturado

birlo. Ahora la vlvula eSl ligerurncnte abierta, y pane del va-por nuye al cilindro, elevando el mbolo. Este proceso com-na hasta que cae la presin en el tanque a 150 kPa.Suponiendo que el vapor que queda en el tanque ha sufrido unproceso adiabtico reversible, determine la temperatura tinala) en el tanque rgido y b) en el cilindro,

419Captulo J

7198 Demuestre que la diferencia entre el trabajo reversiblede fluju estacionario y el trabajo reversible de movimenro defrontera es igual a la energa de flujo.7199 Un tanque aislado que contiene OA m' de vapor deagua saturado a 500 ~Pa se conecta a un dispositivo de cilin-dro-mbolo aislado e inicialmente evacuado. La masa delmbolo es tal que se necesita una presin de 150 kl'a para su-

FIGURAP7197

Ai:rc:500kPa ~fl(lkPa.woK 350K30mis ~-_____.-r

'195 Se estrangula, de una manera estacionaria, el flujo degas helio de 500 kPa Y1()OC.Se pierde calor del helio al en-somo en la cantidad de 2.5 kJlkg a 25C y 100 kP'a. Si la en-tropa del helio aumenta en 0.25 kJlkg . 1( en la vlvula,determine a) la presin y remperatura de salida y b) la genera-cin de entropa durante el proceso.lIespuest.s, .l 442 kPa, 69SC; bl 0.258 kJ/l

7-213 3 Reconsidere el problema 7-212. Usando softwa-liiiII re EES (u orro). determine las eficieocias isen-

trpicas para el compresor y la turbina. Luego use el EES paraestudiar cmo la variacin de la eficiencia del compresor en elrango de 0.6 a 0.8 y la eficiencia de la turbina en el rango 0.7a 0.95 afectan el trabajo neto para el ciclo y la entropa gene-rada para el proceso. Graftque el trabajo neto como funcin dela eficiencia del compresor para eficiencia. de turbina de 0.7.O.S y 0.9. Yexplique sus resultados.7-214 La explosin de un tanque de agua caliente en unaescuela en Spencer; Oklahoma, en 19&2,mat 07 person.., ehiri a otras 33. Aunque el nmero de tales explosiones hadisminuido drsticamente desde el desarrollo del Cdigo de

FIGURA P7-212

If) "Pa98 k""29SK

125 MPaseo-et MPa620 K

'-209 Entra vapor de agua a una turbina adiabtica de dosetapas a 8 MPa Y5500C. Se expande en la primera etapa a unapresin de 2 MPa. Luego se recalenra el vapor a presin Cons-tante a S50C ames de expandirse en una segunda etapa u unapresin de 200 kPa. L. produccin de la turbina es 80 MW.Suponiendo una eficiencia isentrpica de 88 por ciento paracada etapa de la turbina. determine el flujo m(lSiconecesariodel vapor.Tambin muestre el proceso en un diagrama T-sConrespecto a las lrneas de saturacin. Respvest., 85.8 kg"'-210 Refrigerante 1340 a 140 kPa y -IOC

7-218 Refrigerante 134-a a 700 kPa y 4000C se expandeadiabtcamente en un sistema cerrado a 60 kPa. Detennine eltrabajo producido y la entalpla final para una eficiencia de ex-pansin isentrpica de SOpor ciento.Respuesta: 37.9 kJIkg. 238.4 kJIkg

7-219E Un ingeniero ha propuesto U"'1r aire comprimido par."nivelar la carga" en un sistema de generacin elctrica y distri-bucin. El sistema propuesro se ilustra en la figura P7-119E. Du-rante los tiempos en que la capacidad de generacin elctricaexcede la demanda d. energa elctrica, el exceso d. energr.elctrica se USa para accionar el compresor y llenar el tanque dealmacenamiento. Cuando la demanda excede la capacidad de ge-neracion, el aire comprimido en el taaque se pasa a travs de laturbina para generar energa elctrica adicional. Considere estesistema cuando el compresor y la turbina son isemrpicos, latemperatura del tanque permanece consiarse a 70f, el aire eraraal compresor a 70P y I atm, el volumen del tanque es I millnde pi,.,.>.y el aire sale de la turbina a I almo El compresor se oc-

FIGURAP7-217E

Tanque de3.lm~'fnamier\lo

temperatura en el tanque de almacenaje permanece constanteal quitrsele masa. y el R-134a sale de l. turbina u 10 psia,iCunto lrublijo se producir cuando se usa la mi,ad de In ma-s. del lfquido en el tanque?

fiGURA P7-216

11['f{flf!1(~:itl.ftflfffffffrnl, l' 1f!f1ll!r.l:!, ",tff!f!II!!!!ffl..~,!1h'!!ff!!t:,r~-,,.' _ - 000 OeposJlO de at~teinp:ra1u,aa l:H

421Captulo 7

7-215 Usando los argumentos del problema 7-214, derermi-De la cocrgfa rotal de explosin de una bebida enlutada de0.35 L que explota a una presin de 1.2MPa. A cunto.' ki-logramos de T~Tequivale esto energa de explosin?7-216 Demuestre la validez de la dosigualdad de ClausiusU!

--

7-223 Un elemento calenlador de resistencia elctrica de1200 W con dimetro de 0.5 cm se introduce en 40 kg de aguainicialmente a 200C. Suponiendo que el recipiente de agua ~tbien aislado. determine cunto tiempo tardar este calentador enelevar la temperatura del agua a 50'C. Tambin determine laentropa generada durante este proceso. en kJIK.7.224 En 1.. grandes planta, termoelctrica s, el agua de ali-menracin se calienta frecuentemente en calentadores de tipoe.. rrado, que son bsicamente intercambiadores de calor, me-diante el vapor de agua extrado de la turbina en alguna etapa.El vapor entra al calentador de agua de alimentacin a 1 MPay 200'C. y sale como lquido saturado a la misma presin. Elagua de alimentacin entra al calentador a 2.5 MPa y 50"C ysalo 10C por debajo de la temperatura de ,olida del vapor.Despreciando prdidas de calor por las superficies externasdel calentador, determine a) la ",Iacin de los flujos msicosdel vapor extrado y del agua de alimeatacin a travs del ca-lentador y b) el cambio total de entropa para este proceso porunidad dc masa del agua d. alimentacin.7225 9Reconsidere el problema 7224. Usando softwa-

re EES (u otro). investigue el efecto del estadodel vapcr o 1"entrada del calentador de agua de alimentacin.Suponga que la entropla del \'apot extrado e" constante al valor para 1 MPa. 200'C y disminuya la presin del vapor ex-,rado de 1 MPa a 100 kPa. Graquc tanro la relacin de losflujos msicos del vapor extrado y del agua de alimentacin atravs del calentador. como el cambio total de entropa paraeste proceso por unidad de masa del agua de alimentacin. co-mo funciones de la presin de extraccin.7226E Un tanque rgido de 3 pies' conuene inicialmenterefrigerante 134. a 100 psia y calidad 100 por ciento. EI"'nque est conectado por una vlvula a On3 lnea de suministroque lleva refrigerante 134. a 140 psia y 80"F. La vlvula seabre ahora para permitir que el refrigerante entre al tanque, yse clerra cuando S observa que el tanque contiene slo I(qui-do suturado a 120 psia, Determine a) la masa del refrigeranteque entr al tanque. b) la cantidad de transferencia de calorcon el ambiente a Il000Fy e) la entropa generad. durante es-te proceso.7-227 Durante un proceso de transferencia de calor. el cam-bio de entropa de sustancias incompresibles tates como ,1agua lquida, se puede determinar por LlS = lile,..., In(T,IT,).

FIGURAP7-222

tttttttt300W

7-222 Se transfiere calor uniformemente a agua hirviente enla cacerola a trav, de su fondo plano a razn de 500 \Y. Si lastemperaturas de las superficies interna y externa del tondo deltanque son de 104Y 105'C respccuvamente, determine la rasade generacin de entropa dentro del fondo de la cacerola. enWIK.

FIGURAP7221

, I, AI

B0.2 mI

TH;

vapor VlIpO

I200 kP.

x=O.8 250'C

600 U

7.220E El tanque de almacenamiento de aire comprimidodel problema anterior se descarga posteriormeme a travs dela turbina hasta que la presin en el tanque es de 131m. Du-rante esta descarga, la temperatura del aire en el tanque de almacenamiento permanece constante a 70'F. Calcule el trabajototal que produce la turbina y el calor 10tal transferido ni aireen el tanque durante esta descarga.7-221 Do, tanques rfSidos estn conectados 1'

FIGURAP7-236

Calentadordre rcsislcnci.

'235 Considereunabotella caaud3d deenlropa generada duruntc l. eochc'22'.1 Un CUMO bec. sdl.tdo de 4 m X ~ In X 7 m S

Probl.mas para el examen d. fundamenlosde nenierla7U I Se cunde"", vapor de aguo lemptr.llUJUconstantede 30 C cuando fluye por el condenwdor de una planta elc-lrica. rechazando calor d razn d. 55 MW. La tasa de C.mblOde entropla del vapor .1 Iluir por el oonden~odoreso) -1.83 MW/K b) -0.18 MW/K e) OMW/K(1) 0.5(, MW/K t) 1.22MW/K

7-Z~2 Se comprime vapor de agua de 6 MPa y 300'C a 10MPa, isenlnl!licameme. l. temperatura final del vapor nal m-c b) 3O

7..259 Gases de combusn Con una relacin de calores e$pecficos de 1.3 entrun de una manera esracionuria a una tobe-ra adiabtica a 800C y SOOkPa con baja velocidad, y salen auna prc"i6n de SS kPa. La temperatura ms baja posible de losgases de combustin a la salid. de la tobera esa) 43C b) 237C e) 367Cd) 477C e) 640C7-260 Entra vapor de agua. d una manera estacionaria, una turbina adiabiltica a 400C y 3 MPa, Y sale a 50 kPn. Elporcentaje ms alto de masa de vapor que condensa a l. salidade la turbina y sale de l. turbina como lquido esa) 5% b) lO,*, e) 15%ti) 20",( e) 0%

7-261 Entra agua lquida. un sistema adiabtico de tuberaa ISOC r4Znde 8 kg/. Si la temperatura deJ agua sube en

e) I 839 mIsb) 1662 mI,.) 3 ().I() mis

a) 1475 misd) 2066 mIs

7258 Entra gas helio. de una manera estacionaria. a una lo-bera adiabtica a 5000C y 600 kPa a baja velocidad, y sale uuna presin de 90 kPa. La velocidad ms alta posible del gashelio a la salida de la tobera es

' ..257 Se comprime aire. de una manera estacionaria e iscn-trpicamente, de 1 arm a 25 ann en un compresor de dos era-pas, Para minimizar el trabajo total de compresin. la presinintermedia entre 13s dos ttapas debe seral 3 atm b) 5 atm e) 8 aund) 10 atm e) 13atm

74256 Se comprime aire a 15C. de una manera estacionariae isotrmicamente, de 100kPa a 700 kPa. razn de 0.12 kg/s.El suministro mnimo de potencia al compresor esa) 1.0 kW b) 11.2 kW e)25.8 kWd) 19.3 kW e) 161 kW

e) 27 ew

7 -255 Enlr.l agua 3 una bomba, de una manera estacionaria.a 100 kPa y una razn de 3S Us, y sale a 800 kPa. Las veloc-dades de flujo a la entrada y a la salida son iguales, pero 1. sa-lida de l. bomba donde se mide la presin de descarga est a6.1 m arriba de 1. entrad. a la bomba. El suministro mnimode potencia a la bomba esa) 34 kW b) 22 kWd) 52 kW .) ~ kW

7254 Se expande gas argn en una turbina adiabtica. deuna manera estacionaria, de 500"C y 800 kPa a SOkPa, a ra-zn de 2.5 kJ/s. p...... eficiencia isentrpica de 80 por ciento, 1.potencia producida por la turbina esa) 194 ew b) 29J kW e) 4S4 kWd) 363 kW e) 605 kW

e) 0.S6b) 0.94e) 1.00

a) 0.76d) 0.84

7-253 Se comprime aire. de una "lanera estaclonuria y udia-bticament e. de 17C Y90 kPa a 200C y 400 kPa. Suponien-do calores especficos constantes para el aire a temperaruraambiente. 1.. eficienda isentropica del compresor es

425Captulo 7

e) 2.10 WIKb) 4.21 \V/Ke) 90.0 W/K

a) 0.11W/Kd) 42.1 WIK

7-250 Se comprime aire desde condicione> de medio arn-biente 3 una presin especificada de manera reversible por doscompresores: uno isotrmico y el airo adiabtico. Si As"", sig-nifica el cambio de emropta del aire durante la compresin re-versible isotrmica. y L\s..s.... durante la compresin reversibleadiabtica, la expresin correcta respecto ni cambio de entro-pro del aire pcr unidad de ruasa esa) As"", = .ls.... = O b) As"", = As",. > O e) As"", > Od) As... < O e) As,,,,, = O7-251 Se comprime gas helio de ISoC y S.40 ru'lkg a 0.775m'/kg de manen! reversible y adiabtica. La temperatura delbelio despus de la compresin esa) tOSOC b) S5C e) 1734Cd) 1051C e) 77SoC7-252 Se pierde calor. travs de un muro piano, de una ma-nera estacionaria, a rezn de 600 W.Si las temperaturas de lassupercies inlerna y externa del muro son 200C y SC. respcc-tivamente, la (asa. de generacin de entropa dentro del muroes

'-1~5 Se comprime gas belio de 1 aun y 25'C a una presinde 10 aun, adiabilticrunente. La mnima temperatura del belioo..pus de la compresin es"' 25C b) 63C e) 250CJI 384C e) 476C7-1-'6 Se expande vapor de agua en una turbina adiabticade S MPa Y .5OO'Ca 0.1 MPa. a razn de 3 kg/,. Si el vaporde agua sale de la turbina como vapor saturado, la produccinde potencia de la turbina esal 2174 kW b) 69S ew e) 288t iwJ) 1674 kW e) 3240 kW- -2~7 Se expande gas argn en una turbina adiabtica de 3\(P. Y 750C" 0.2 MPa n razn de 5 kg/s. La produccin m-vima de potencia de (. turbina esal 1.06MW b) 1.29 MW e) 1.43 MWJI 1.76MW e) 2.0S MW1~8 Una unidud de masa de una sustancia sufre un proce-so irreversible del estado I ni cotado 2, ganando calor del en-tomo a la temperatura T en la cantidad de q. Si la entropr. dela sustancia es s, en el estado l. y s, en el estado 2. el cambiode entropa de la sustancie, As. durante este proceso esu) 6.$ ', -s,e) .ls=', - s, d) A, ; s, - St ... q/T'1 .l.s> $, - s, + qlT7-U9 Una unidad de masa de un 8"s ideal a la temperaturaT sufre un proceso isotrmico reversible de la presin P, a lapresin P, mientras pierde calor al enlomo a lu temperatura Ten la cantidad de q. Si la constante del gas es R. el cambio deemropa del gas as durante ese proceso esa, .ls = R III(P,IP,) b).l.. = R ln(P,IP,) - q/Te) As = R In(P,IP,) d);1, = R In(P,/P,) - qffe).1s = O

FIGURAP7-210

Se dlblescondlcienes c1imlic'_, parael drea,7266 Obtenga la siguieme inr""",.cln acerca de la planlaelcmca que est ms cercana. .1.IICa a 8 MPa) 500 C nlzn de 18 kg/s, y sale 0.2 M p.. l' JOO"C. La ta-sa de gcnc ......,6n de entropa en la norbloJ esa) O kW/K bJ 7.2 kW/K el 21 kW/Kd) 15 kW/K el 17 kW/K7264 Se comprime gas helio. de una manera estaeionari a,de 'lO kP. YZSC a 600 kPo a razn de 2 kg/mln con un com-pr""'" adloo:llico. Si el compresor ccnsume 70 kW de pofeJl-cla al operor, l. eficiencia iS

depsito de enen.;:aque se mantiene a TI' ,Qu valor de 11 mi-ninlizn la generacin de Clutopa en csre caso? Cuando se de-be rechazar calor. se rechaza :J un dep6sito de energa que semantiene a T1-Qu valor de 11 minimiza la generacin de en-tropta en este caso?

427Capitulo 7

-270 Cuando se expando un gas ideal de P, y T, a la pregn p~en un proceso politr6pico. Pv: = consume, se tiene:pe transferr calor ni gas pum algunos valores de 11. )' se tiene;.c rechazar para OtrQS valores. Determine el criterio para nOt:;\do $octiene que transferir calor al ga~.Para los valores se que necesitan adicin de calor. este calor lo suministra un