Ejercicios entropía
- 1. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MÉCANICA Y ELÉCTRICA UNIDAD ZACATENCO Ingeniería en Sistemas Automotrices Academia de Energéticos Termodinámica II Ejercicios de Entropía 1.- Un dispositivo cilindro- pistón contiene inicialmente agua líquida saturada a 100°C. El sistema sufre un proceso en que el pistón se desliza libremente en el cilindro y el agua alcanza su estado correspondiente de vapor saturado. El cambio de estado se produce por un proceso de calentamiento internamente reversible a presión y temperatura constantes. Determine el trabajo y el calor intercambiados por unidad de masa en kJ/kg. 2.- Un dispositivo cilindro-pistón contiene inicialmente agua líquida saturada a 100°C. El sistema sufre un proceso en que el pistón se desliza libremente en el cilindro y el agua alcanza un estado correspondiente de vapor saturado. No existe transferencia de calor con el entorno. Si el cambio de estado se produce a causa de un agitador de paletas, determine el trabajo por unidad de masa, en kJ/Kg, y la entropía por unidad de masa generada por unidad de masa, en kJ/kg*K. 3.- Se comprime adiabáticamente una masa de refrigerante 134n en un cilindro-pistón, desde vapor saturado a -12°C hasta una presión de 8 bar. Determine el trabajo mínimo teórico requerido por unidad de masa de refrigerante, en kJ/Kg. 4.- Una barra de metal de 0.8 lb, tiene una temperatura de 1900 °R, se saca de un horno y se templa por inmersión en un depósito cerrado que contiene 20 lb de agua inicialmente a 530 °R. Ambas sustancias pueden suponerse incompresibles. Los valores de calor específico constante son de Ca=1.0 BTU/lb*°R para el agua y Cm=0.1 BTU/lb*°R para el metal. La transferencia de calor entre el depósito y el entorno puede despreciarse. Determinar: a) La temperatura final de equilibrio alcanzada para la barra de metal y el agua, en °R. b) La cantidad de entropía generada en BTU/°R. 5.- Un flujo de vapor de agua entra a una turbina con una presión de 30 bar, una temperatura de 400°C y una velocidad de 160 m/S. El vapor sale saturado a 100 °C y con una velocidad de 100 m/s. En situación estacionaria, la turbina produce un trabajo igual a 540 kJ por Kg de vapor que la atraviesa. La transferencia de calor entre una turbina y su entorno tiene lugar a una temperatura media en la superficie externa de 350 K. Determine la entropía generada por kg de vapor que atraviesa la turbina, en kJ/kg*K. Desprecie la variación de energía potencial entre la entrada y la salida. 6.- Un ingeniero desarrolló un dispositivo que, sin consumo de energía transferida por flujo de trabajo o calor, es capaz de producir una corriente de aire frío y otra de aire caliente a partir de una única corriente a temperatura intermedia. El inventor proporciono los resultados de una prueba en régimen estacionario que indica que, cuando entra aire a una temperatura de 21.1 °C y una presión de 5.1 atm, las corrientes de salida tienen temperaturas de -17.8°C y 79.4°C, ambas a una presión de 1 atm. La masa fría es el 60% del total que entra en el dispositivo. Evalué la aseveración del inventor, empleando el modelo de gas ideal Ejercicios de Entropía
- 2. para el aire y despreciando variaciones en la energía cinética o potencial de los flujos de entrada y salida. Diagrama 1. 7.- El esquema muestra los componentes de una bomba de calor que suministra aire caliente a una vivienda. En estado estacionario, el refrigerante 22 entra al compresor a -5°C y 3.5 bar, y se comprime adiabáticamente hasta 75 °C y 14 bar. Desde el compresor, e refrigerante pasa a través de del condensador, dónde condensa a 28°C y 14 bar. El refrigerante se expande a través de una válvula de estrangulación hasta 3.5 bar. Los estados del refrigerante se muestran en el diagrama T VS s. El aire de retorno, proveniente de la de la vivienda, entra al condensador a 20°C y un bar, con un flujo de 0.42 m 3/s, para salir a 50 °C sin cambios apreciables en la presión. Utilizando el modelo de gas ideal para el aire y despreciando cambios en la energía cinética o potencial. Evalué: a) La generación de entropía en kW/K, para los volúmenes de control correspondientes al compresor, condensador y válvula de expansión. Diagrama 2. Gráfica 1 T Vs s. Ejercicios de Entropía
- 3. 8.- Una cierta cantidad de aire sufre un proceso isoentrópico desde P1= 1atm, T1= 300 K hasta un estado final con una temperatura T2= 640K. Empleando el modelo del gas ideal, determine la presión final en atm. Resuelva utilizando: a) El valor de los de Pr calculado a partir de la tabla Propiedades de Gas Ideal para el Aire. b) Un valor para k =CP/CV, constante evaluado a la temperatura media de 470 k. 9.- Un depósito rígido y con un buen aislamiento térmico contiene inicialmente 5 kg de aire a una presión de 5 bar y una temperatura de 500K. En el desarrollo de un proceso de fuga el aire se escapa lentamente hasta que la presión del aire remanente en el depósito es de 1 bar. Empleando el modelo del gas ideal, determine la cantidad de masa presente en el depósito y su temperatura. 10.- Una turbina funciona en estado estacionario, siendo las condiciones a la entrada de p1= 5 bar y T1=320 °C. El vapor abandona la turbina a una presión de 1 bar. No existe una transferencia de calor significativa entre la turbina y sus alrededores. Las variaciones de energía cinética y potencial entre la entrada y la salida son despreciables. Si el rendimiento isoentrópico de la turbina es el 75%, calcule el trabajo desarrollado por unidad de masa del vapor que fluye a través de la turbina, en kJ/ kg. 11.- Una turbina opera en estado estacionario recibe aire a una presión de P1=3.0 bar y una temperatura T1= 390 °K. El aire abandona la turbina a una presión de P 2= 1.0 bar. Se ha medido el trabajo desarrollado, siendo de 74 kJ por kilogramo de aire que atraviesa la turbina. La turbina opera adiabáticamente, y las variaciones de energía cinética y potencial a la entrada y a la salida pueden despreciarse. Empleando el modelo del gas ideal determine el rendimiento de la turbina. 12.- Un flujo de vapor de agua entra en una tobera a P1=10 bar y T1= 320 °C con una velocidad de 30 m/s. La presión y temperatura a la salida son P2=3 bar y T2= 180°C. No existe una transferencia de calor significativa entre la tobera y su entorno y las variaciones de energía potencial pueden despreciarse. Determine el rendimiento de la tobera. 13.- Con respecto al compresor del problema 7, determine la potencia en kW y el rendimiento isoentrópico utilizando datos y propiedades de las tablas. 14- Un compresor de aire opera en estado estacionario; el estado del aire a la entrada es P1= 1 bar y T1=20 °C, y la presión de salida P2= 5 bar. Determine los intercambios de calor y trabajo por unidad de masa, en kJ/kg, si el aire desarrolla un proceso politrópico con n=1. 3. Desprecie las variaciones de energía cinética y potencial entre la entrada y la salida. Emplee el modelo del gas ideal para el aire. Ejercicios de Entropía