Un coche de carreras pequeño (kart) tiene una masa de 200 libras incluido el piloto y está impulsado por un pequeño motor de 3 hp.

UPC  UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADAS

División de Estudios Profesionales para Ejecutivos                                          TERMODINÁMICA APLICADA                                                                         

Seminario Nº2

Balance de energía en sistemas cerrados

1. Un coche de carreras pequeño (kart) tiene una masa de 200 libras incluido el piloto y está impulsado por un pequeño motor de 3 hp.  

1. Estime el tiempo que tardaría el coche en alcanzar una velocidad de 40 millas por hora en un circuito de carreras horizontal.
2. Suponga que el 90% de la potencia entregada por el motor se convierte en potencia mecánica para acelerar el coche. ¿Cuál sería ahora el tiempo?

1. Una grúa de construcción levanta una viga de concreto prensado, que pesa  dos toneladas desde el suelo hasta la punta de una construcción ubicada  6 m sobre el suelo, en 30 segundos. Determine:

1. La variación en la energía potencial de la viga
2. La grúa es accionada por un motor. Calcule la potencia mínima desarrollada por el motor
3. Calcule la potencia del motor si la eficiencia es 75%, es decir, se pierde por rozamiento 25% de la potencia desarrollada  por el motor.

1. Un recipiente  de 10 L, lleno con agua a 15oC, tiene acoplada una rueda de paletas conectada al eje de un motor y una resistencia eléctrica conectada a una batería. Se aplica al eje, un par de 5 N.m  y  gira a una velocidad angular de 300 rpm.  Al mismo tiempo se suministra energía mediante una corriente de 5A de una batería de 6.0 V. Este proceso se realiza durante 100 minutos.

1. Calcule el trabajo total realizado sobre el agua.
2. ¿Cuánto aumentó la energía interna del agua si no hubo transferencia de calor?
3. Halle la temperatura final del agua, si el calor específico es 4.18 kJ/kgoC.
4. ¿Cuál es el consumo de energía (kWh) de la batería y del motor? (consumo teórico)

1. Un dispositivo de cilindro-émbolo sin fricción contiene 2 kg de nitrógeno a 100 kPa y 300 K. El nitrógeno se comprime reduciendo su volumen a 60% del valor inicial. Calcule el trabajo realizado sobre el gas y la transferencia de calor,  si el proceso se realizó a presión constante

      Dato:  Masa molar de N2 = 28 kg/kmol,  CV = 20.79 kJ/kmol. K

1. Un gas ideal se expande desde un estado inicial a 500 kPa y 0.1 m3 hasta 100 kPa. El proceso se desarrolla a temperatura constante. Calcule el trabajo realizado por el gas o sobre el gas y el calor transferido

1. Un cilindro cerrado cuyo eje está en posición vertical tiene ajustado un pistón en su extremo superior. El pistón soporta un cierto peso que mantiene una presión constante de 3 bar en los 0.8 kg de helio (masa molar = 4 kg/kmol) contenidos en el cilindro. El volumen del gas se reduce de 0.1 a 0.03 m3 y su temperatura disminuye en 18oF. Calcule el trabajo y el calor en este proceso.

Dato:  Masa molar = 4 g/mol      Cv = 3/2 R               R = 8.314 kJ/kmol. K

1. Una masa de 10 Kg de aire a 25°C y 150 kPa, que se encuentra dentro de un sistema cilindro – pistón, pasa por un proceso de expansión adiabática incrementando su volumen en un 30%.

1. Representar el proceso  en el diagrama P-V
2. Calcular la temperatura y presión al finalizar la expansión, en °C y kPa.
3. Determinar el calor y el trabajo, en kJ                              

Dato: CV (aire) = 0.756 kJ/kg oC     γ = 1.4    Masa molar del aire = 29 kg/kmol

1. Una sala está inicialmente a 20o C. En la sala hay una lámpara de 100 W,  una TV de 110 W y 3 personas que disipan calor a razón de  360 kJ/h, por persona. Se estima que la tasa de transferencia de calor que ingresa a la sala, a través de las paredes, es de 700 kJ/h. Suponiendo que las puertas y ventanas permanecen cerradas durante una hora:

1. Calcule el aumento de energía del aire en la sala
2. Si las dimensiones de la sala son de 20 m x 18 m x 3m, determine  la temperatura del aire después de una hora

Datos:  Calor específico del aire = 0.756 kJ/kg.K                           Densidad del aire = 1.2 kg/m3

Problemas para reforzar

1. Un recipiente de 10 m3 tiene paredes rígidas  y contiene gas helio  a 1 atm y 25oC. Un agitador cuya potencia es 0.7 hp está dentro del recipiente prendido por 5 minutos Al finalizar este tiempo se mide la temperatura del gas obteniéndose un valor de 43oC. Determine la cantidad de trabajo transferida al gas. ¿Hubo transferencia de calor?            

  Datos para el helio:      Cv = 3.12 kJ/kg.K.       Masa molar = 4 kg/kmol

1. Los calentadores portátiles se usan comúnmente para calentar habitaciones pequeñas. Un calentador eléctrico de este tipo tiene una potencia de 1.2 kW . La eficiencia en la conversión de energía es 90%.

1. Al analizar el proceso, ¿eligirá un sistema abierto o cerrado?
2. Explique la transformación de energía que tiene lugar
3. Determine el calor que entrega el calentador en una hora. Exprese este valor en kJ y en Btu

1. En  un motor de gasolina las condiciones en el cilindro son 1.8 MPa y 450oC antes de la combustión y 1300oC después. Considere que el proceso de combustión se realiza a volumen constante y que la sustancia dentro del cilindro es un gas ideal y calcule: [pic 1]

1. La presión  final del proceso de combustión.
2. El calor recibido por el aire dentro de la cámara, si el volumen es de

625 cm3 antes de la combustión.

     Dato: CV del aire = 0.716 kJ/kg. K     Masa molar = 29 kg/kmol

     R.

1. Aire a 35oC y  95 kPa ocupa un volumen de 4.5 L. Este aire es comprimido adiabáticamente (PVγ= k)  hasta que su volumen se reduce a la octava parte de la inicial.

1. Calcule la masa de aire (masa molar = 29 kg/kmol)
2. Calcule la temperatura y  presión al finalizar el proceso
3. Determine el  trabajo y el calor
4. Represente el proceso en el diagrama P-V  (kPa-L)

1. Considere una plancha  de 1000 W cuya base es de aleación de aluminio 2024-T6 (ρ = 2770 kg/m3 y CV = 875 J/kg.oC) y de 0.5 cm de espesor. Esa base tiene 0.03 m2 de superficie. Primero, la plancha está  en equilibrio térmico con el aire ambiente a 22oC. Suponiendo que el  85% del calor generado en los alambres de la resistencia se transfiere  a la base, incrementando la energía interna de la base de la plancha, determine el tiempo mínimo necesario para que la plancha llegue a 140oC

1. En una instalación manufacturera, esferas macisas  de bronce de 5 cm de diámetro  (densidad = 8522 kg/m3 y  CV  =  0.385 kJ/kg. °C), que inicialmente están a 120°C, se enfrían en un baño de agua a 50°C a una tasa de 100 bolas por minuto. Si la temperatura de las esferas  después del baño es 74°C, determine la tasa a la cual se debe eliminar calor del agua, para mantener su temperatura constante[pic 2]

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