Aplicación de la primera ley de termodinámica

INTRODUCCION

La segunda ley termodinámica afirma que los procesos ocurren en cierta dirección y que la energía tiene calidad así como cantidad. Un proceso no puede tener lugar a menos que satisfaga tanto la primera como la segunda ley de la termodinámica. En este trabajo se aplicaran los conocimientos de energía térmica, procesos de motor de gasolina, máquinas térmicas, ciclo de carnot.

OBJETIVOS

1. Aplicar los ciclos termodinámicos como aquellos que satisfagan tanto como la primera como la segunda ley termodinámica.
2. Analizar los depósitos de energía (cambios de entropía)
3. Aplicar conocimientos en los procesos de motor de gasolina, maquinas térmicas y ciclo de carnot.

Ejercicio 1.

 Un dispositivo de cilindro-émbolo sin fricción contiene una mezcla saturada de líquido y vapor de agua a 110℃. Durante un proceso de presión constante, 546 kJ de calor se transfieren al aire circundante que se halla a 15℃. Como resultado, la parte de vapor dentro del cilindro se condensa. Determine

a) el cambio de entropía del agua

 b) la generación de entropía total durante este proceso de transferencia de calor.

Se considera como sistema la totalidad del agua (liquido+ vapor) dentro del cilindro. Se trata de un sistema cerrado puesto que ninguna masa atraviesa la frontera del sistema durante el proceso. Se observa que la temperatura de  una sustancia pura permanece constante en el valor de saturación durante el proceso de cambio de fase o presión constante, mientras que la entropía disminuye debido a  la perdida de calor. (Serway,R.A y Jewett, J.W, 2005)

a) Como el agua es sometida a un proceso internamente isotérmico reversible su cambio de entropía es:

Formula

[pic 1]

Sustituyendo

[pic 2]

b) Para determinar la generación de entropía total durante el proceso consideremos: el agua, el dispositivo del cilindro-émbolo y la región externa inmediata del sistema que experimenta un cambio de temperatura. El balance de entropía se obtiene

[pic 3]

Despejando[pic 4]

[pic 5]

Ejercicio 2. Un motor de gasolina de un autobús toma 1.61x104 J de calor y produce 3700 J de trabajo por ciclo. El calor proviene de quemar gasolina que tiene un calor de combustión de 4.60x104 J/g.

La eficiencia térmica de ( una maquina de calor mide que tanto de calor absorbido se convierte en trabajo.[pic 6]

1. Calcular la eficiencia térmica del motor.

Formula

[pic 7]

Sustituyendo

[pic 8]

Si una maquina repite el mismo ciclo una y otra vez Qc y Qf representan el calor absorbido y rechazado por la maquina durante un ciclo; es positivo y   negativo. (Cengel, 2015)[pic 9][pic 10]

1. ¿Cuánto calor se desecha en cada ciclo?

Formula

   [pic 11]

Despejando

[pic 12]

Sustituyendo

[pic 13]

Un motor de combustión interna en un automóvil extrae calor al quemar la mezcla de gasolina y aire combustión y convierte una fracción de esta en energía mecánica.

1. ¿Cuánta gasolina se quema en cada ciclo?

Formula

[pic 14]

Despejando y sustituyendo

                 [pic 15][pic 16]

 d) Si el motor opera a 60 ciclos por segundo, determine su salida de potencia en kW y hp.     Formula[pic 17]

[pic 18]

Conversión

       [pic 19][pic 20]

Ejercicio 3. Un motor de gasolina desarrolla una potencia de 180 kW (aproximadamente 241 hp). Su eficiencia térmica es del 28.0%.

1. ¿Cuánto calor debe suministrarse al motor por segundo?

Formula

[pic 21]

Conversión

[pic 22]

Sustituyendo en la formula

[pic 23]

1. ¿Cuánto calor desecha el motor cada segundo

Formula

[pic 24]

Sustituyendo

[pic 25]

Ejercicio 4. El motor de un Mercedes-Benz SLK230 realiza un ciclo de Otto con una razón de compresión de 8.8.

1. Calcule la eficiencia ideal del motor usando 𝛾 = 1.40.

Formula de eficiencia térmica en el ciclo de Otto.

[pic 26]

Sustituyendo

[pic 27]

b) El motor de un Dodge Viper GT2 tiene una razón de compresión un poco mayor, de 9.6. ¿Cuánto aumenta la eficiencia con ese aumento en la razón de compresión?

Formula de eficiencia térmica en el ciclo de Otto.

[pic 28]

Sustituyendo

[pic 29]

Instrucciones parte 2: Realice una reflexión con extensión mínima de una página, sobre qué es un refrigerador de Carnot, las cantidades importantes a considerar en esta máquina térmica, diagrama representativo, y el cálculo de su eficiencia.

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