Capítulo 06: La segunda ley de la termodinámica

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-182 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.182 Diseñe una unidad de hidroenfriamiento que pueda enfriar frutas y vegetales de 30 a 5 °C a razón de 20,000 kg/h bajo las siguientes condiciones: La unidad será del tipo inundado, que enfriará los productos cuando se transportan…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-181 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.181 Usando un cronómetro (o reloj) y un termómetro, lleve a cabo el siguiente experimento para determinar la tasa de ganancia de calor de su refrigerador. Primero, asegúrese de que la puerta del refrigerador no se abra durante al…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-180 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.180 El trabajo máximo que se puede producir por una máquina térmica se puede aumentar disminuyendo la temperatura de su sumidero. Por lo tanto, parece lógico usar refrigeradores para enfriar el sumidero y reducir su temperatura. ¿Cuál es el…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-179 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.179 Con la investigación para reducir la contaminación térmica y aprovechar las fuentes renovables de energía, algunas personas han propuesto que aprovechemos fuentes tales como las descargas de las plantas de energía eléctrica, la energía geotérmica y la energía…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-178 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.178 El Sol suministra energía electromagnética a la Tierra. Parece tener una temperatura efectiva de aproximadamente 5.800 K. En un día despejado de verano en América del Norte, la energía incidente en una superficie de cara al Sol es…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-177 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.177 Demuestre que el trabajo que produce un proceso reversible excede al producido por un proceso equivalente irreversible considerando un peso que se desciende por un plano tanto con fricción como sin ella. Solución: Solución 1: Canal CONSULTA AQUÍ…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-176 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.176 Una vez se propuso que la función de temperatura termodinámica debería ser ln T en vez de T. ¿Cómo habría cambiado esta sugerencia las expresiones para los índices de desempeño de máquinas térmicas, refrigeradores y bombas térmicas completamente…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-175 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.175 Un acondicionador de aire de ventana que consume 1 kW de electricidad cuando opera y tiene un coeficiente de desempeño de 3, se coloca en medio de un cuarto, y se conecta a la corriente. La tasa de…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-174 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.174 Un refrigerador doméstico nuevo típico consume alrededor de 680 kWh de electricidad por año y tiene un coeficiente de desempeño de 1.4. La cantidad de calor que quita este refrigerador del espacio refrigerado por año es Solución: Solución…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-173 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.173 Considere un refrigerador de Carnot y una bomba de calor de Carnot operando entre los mismos dos depósitos de energía térmica. Si el COP del refrigerador es 3.4, el COP de la bomba de calor es Solución: Solución…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-172 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.172 Dos máquinas térmicas de Carnot operan en serie de modo que el sumidero térmico de la primera máquina sirve como fuente de calor para la segunda. Si la temperatura de la fuente de la primera máquina es de…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-171 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.171 Un refrigerador quita calor de un medio frío a 3 °C a razón de 7.200 kJ/h, y rechaza el calor de desecho a un medio a 30 °C. Si el coeficiente de desempeño del refrigerador es 2, la…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-170 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.170 Un sistema de acondicionamiento de aire que opera en el ciclo inverso de Carnot debe quitar calor de la casa a razón de 32 kJ/s para mantener su temperatura constante a 20°C. Si la temperatura exterior es de…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-169 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.169 Un ciclo de máquina térmica se ejecuta con vapor de agua en el domo de saturación entre los límites de presión de 7 y 2 MPa. Si se suministra calor a la máquina térmica a razón de 150…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-168 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.168 Una bomba de calor con un COP de 3.2 se usa para calentar una casa perfectamente sellada (sin fugas de aire). La masa total dentro de la casa (aire, muebles, etc.) es equivalente a 1.200 kg de aire.…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-167 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.167 Un ciclo de refrigeración se ejecuta con R-134a bajo el domo de saturación entre los límites de presión de 1.6 y 0.2 MPa. Si el consumo de potencia del refrigerador es de 3 kW, la tasa máxima de…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-166 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.166 Un ciclo de máquina térmica se ejecuta con R-134a bajo el domo de saturación entre los límites de presión de 1.4 y 0.16 MPa. El coeficiente máximo de desempeño de esta bomba de calor es  Solución: Solución 1:…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-165 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.165 Una máquina térmica recibe calor de una fuente a 1.000 °C y rechaza el calor de desecho a un sumidero a 50 °C. Si se suministra calor a esta máquina a razón de 100 kJ/s, la potencia máxima…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-164 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.164 Un ciclo de máquina térmica se ejecuta con vapor de agua en el domo de saturación. La presión del vapor es 1 MPa durante la adición de calor, y 0.4 MPa durante el rechazo de calor. La eficiencia…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-163 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.163 Una bomba de calor absorbe calor del exterior frío a 5 °C y suministra calor a una casa a 25 °C a razón de 18,000 kJ/h. Si la potencia consumida por la bomba de calor es 2.5 kW,…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-162 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.162 Las necesidades de agua potable de una oficina se cumplen enfriando agua de la llave en una fuente de agua refrigerada de 23 a 6 °C a un flujo promedio de 10 kg/h. Si el COP de este…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-161 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.161 Una casa de 200 m2 y 2.4 m de altura se mantiene a 22 °C mediante un sistema de acondicionamiento de aire cuyo COP es 3.2. Se estima que los ventiladores de la cocina, el baño y otros…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-160 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.160 La etiqueta de una lavadora indica que la lavadora usará agua caliente por un valor de $85 por año si el agua se calienta por un calentador eléctrico con eficiencia de 90 por ciento, a una tarifa eléctrica…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-159 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.159 Al explicar máquinas de Carnot, se supone que la máquina está en equilibrio térmico con la fuente y el sumidero durante los procesos de adición y rechazo de calor, respectivamente. Es decir, se supone que TH* = TH …

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-158 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.158 Una máquina térmica Carnot opera entre una fuente a TH y un sumidero a TL. Si se desea duplicar la eficiencia térmica de esta máquina, ¿Cuál debe ser la  nueva temperatura de la fuente? Suponga que la temperatura…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-157 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.157 Deduzca una expresión para el COP de una bomba de calor completamente reversible en términos de las temperaturas de los depósitos de energía térmica TL y TH. Solución: Solución 1: Canal CONSULTA AQUÍ OTROS EJERCICIOS RESUELTOS DEL SOLUCIONARIO…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-156 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.156 Pruebe que el COP de todos los refrigeradores completamente reversibles debe ser el mismo cuando las temperaturas de los depósitos son las mismas. Solución: Solución 1: Canal CONSULTA AQUÍ OTROS EJERCICIOS RESUELTOS DEL SOLUCIONARIO DEL LIBRO TERMODINÁMICA CENGEL…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-155 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.155 Pruebe que el COP de un refrigerador no puede exceder el de un refrigerador completamente reversible que comparte los mismos depósitos de energía térmica. Solución: Solución 1: Canal CONSULTA AQUÍ OTROS EJERCICIOS RESUELTOS DEL SOLUCIONARIO DEL LIBRO TERMODINÁMICA…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-154 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.154 Una bomba de calor recibe calor de un lago que tiene una temperatura promedio de invierno de 6 °C y suministra calor a una casa que tiene una temperatura promedio de 27 °C. Solución: Solución 1: Canal CONSULTA…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-153 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.153 Agua fría a 10 °C entra a un calentador de agua a razón de 0.02 m3/min, y sale del calentador a 50 °C. El calentador recibe calor de una bomba de calor que extrae calor de una fuente…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-152 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.152 Una bomba de calor con refrigerante 134a como fluido de trabajo se usa para mantener un espacio a 25 °C absorbiendo calor de agua geotérmica que entra al evaporador a 60 °C a razón de 0.065 kg/s y…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-151 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.151 Repita el problema 6-150 para el costo de acondicionamiento de aire en clima seco para una temperatura exterior de 28 °C. Suponga que el COP del sistema de acondicionamiento de aire es 2.3, y el costo unitario de…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-150 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.150 Los ventiladores de la cocina, del baño y otros en una casa se deben usar moderadamente, ya que estos ventiladores pueden descargar, en sólo una hora, el aire enfriado o calentado de la casa equivalente al volumen de…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-149 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.149 Un propietario de casa trata de decidir entre un horno de gas natural de alta eficiencia de 97 por ciento y una bomba de calor con un COP de 3.5 que extrae calor del suelo. Los costos unitarios…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-148 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.148 Reconsidere el problema 6-147. Usando software EES (u otro), investigue el efecto del COP de la bomba de calor en los costos anuales de operación y en el número de años necesarios para salir a mano. Suponga que…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-147 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.147 Un calentador eléctrico de agua típico tiene una eficiencia de 95 por ciento y su operación cuesta $250 por año, a un costo unitario de electricidad de $0.08/kWh. Un típico calentador de agua impulsado por bomba de calor…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-146 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.146 La etiqueta de “Guía energética” en una lavadora indica que la lavadora usará agua caliente por un valor de $33 por año si se calienta el agua mediante un calentador que quema el gas natural, a una tarifa…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-145 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.145 Las necesidades de agua potable de una planta de producción con 20 empleados se deben satisfacer mediante una fuente de agua de tipo burbujeo. La fuente de agua refrigerada debe enfriar el agua de 22 a 8 °C…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-144 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.144 Un sistema de refrigeración debe enfriar barras de pan con una masa promedio de 350 g de 30 a -10 °C a razón de 1 200 barras por hora mediante aire refrigerado a -30 °C. Tomando los calores…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-143 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.143 El espacio vacío de carga de un camión refrigerado, cuyas dimensiones internas son 12 X m X 2.3 m X 3.5 m, se va a preenfriar de 25 °C a una temperatura promedio de 5 °C. La construcción…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-142 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.142 Una bomba de calor suministra calor a una casa a razón de 140,000 kJ/h cuando la casa se mantiene a 25 °C. Durante un periodo de un mes, la bomba de calor opera durante 100 horas para transferir…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-141 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.141 Cambiar las lámparas incandescentes con lámparas fluorescentes energéticamente eficientes puede reducir el consumo de energía de iluminación a la cuarta parte de la que era antes. La energía consumida por las lámparas se convierte finalmente en calor y,…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-140 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.140 Considere un ciclo de bomba de calor de Carnot que se ejecuta en sistema de flujo constante en la región de saturación usando refrigerante 134a con un flujo de 0.22 kg/s como fluido de trabajo. Se sabe que…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-139 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.139 Un inventor afirma haber desarrollado un refrigerador que mantiene el espacio refrigerado a 35 °F operando en un cuarto en el que la temperatura es de 75 °F, y que tiene un COP de 13.5. ¿Esta afirmación es…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-138 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.138 Una máquina térmica opera entre dos depósitos a 800 y 20 °C. La mitad de la potencia desarrollada por la máquina térmica se usa para acccionar una bomba de calor de Carnot que quita calor del entorno frío…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-137 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.137 Reconsidere el problema 6-136. Usando el software EES (u otro), investigue los efectos de la temperatura de la fuente de la máquina térmica y la temperatura del espacio enfriado sobre el calor que se necesita suministrar a la…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-136 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.136 Una máquina térmica de Carnot recibe calor a 900 K y rechaza el calor de desecho al ambiente a 300 K. La potencia desarrollada por la máquina térmica se usa para accionar un refrigerador de Carnot que quita…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-135 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.135 Calcule y grafique la eficiencia térmica de una máquina térmica completamente reversible como función de la temperatura de la fuente hasta 2.000 R, con la temperatura del sumidero fijada a 500 R. Solución: Solución 1: Canal CONSULTA AQUÍ…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-134 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.134 Considere dos máquinas térmicas de Carnot operando en serie. La primera máquina recibe calor del depósito a 1.800 K y rechaza el calor de desecho a otro depósito a la temperatura T. La segunda máquina recibe esta energía…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 7 EDICIÓN SOLUCIÓN PROBLEMA 6-133 TERMODINÁMICA CENGEL Y BOLES 6.133 Reconsidere el problema 6-132. Utilizando el software EES (u otro), investigue el efecto de la entrada de trabajo neto en la presión mínima. Suponga que la entrada de trabajo varía de 10 a 30 kJ. Grafique la presión…