Ing. JOSUE ALATA – Docente FIA

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SEMINARIO Nº 5:

CICLO DE CARNOT - CICLO INVERTIDO

1) En una instalación determinada se dispone de gases producidos por un proceso de combustión a

1000°F. ¿Cuál es la eficiencia máxima de una planta térmica que trabaja con estos gases y

transfiera calor al medio ambiente a 70°F? Si la energía calorífica disponible en los gases es de

13000 BTU/min. ¿Cuál es la potencia máxima desarrollable (HP)?

2) En la figura se muestra la instalación de una máquina térmica que trabaja entre dos reservorios a

temperaturas diferentes. Determinar:

a. Si los valores dados son posibles de ser alcanzados.

b. ¿Cuál es la temperatura máxima posible del reservorio frío, para que los valores dados sean

posibles?

3) Nitrógeno gaseoso actúa en un ciclo de Carnot en el cual los volúmenes respectivos en sus cuatro

esquinas seguidas, partiendo de la expansión isotérmica son:

V1 = 0.3565 pies³ V2 = 5.57 pies³ V3 = 8 pies³ V4 = 0.5130 pies³

Además recibe 4 BTU de calor a 1100°F y rechaza energía al cuerpo frío a 60°F. Determinar:

a. Trabajo del ciclo (BTU).

b. La presión media efectiva (psi).

4) Una máquina de Carnot que funciona entre 482ºC y 32°C produce un trabajo de 11000 Kgf-m.

Determinar:

a. El rendimiento térmico de la máquina.

b. Calor suministrado (kcal).

c. El cambio de entropía durante la expulsión de calor (kcal/ºK).

5) En un ciclo de Carnot, el calor suministrado es de 10.1 kcal y la relación de expansión diabática (rk)

es 15.6 (rk = V4 / V1 = V3/V2). Si la temperatura de la fuente fría es de 15.5°C y K=1.4, determine:

a. Dibujar el ciclo de carnot en el plano P-V.

b. El rendimiento térmico.

c. El trabajo.

d. El calor expulsado.

e. Temperatura de la fuente caliente.

f. Determinar la presión en el punto máximo, si la P4 = 120 bar.

g. ∆S (variación de entropía).

6) En un ciclo de carnot, al inicio de la expansión isotérmica P1=2.07MPa, V1=0,14m³ y T2=282°C. La

relación de expansión isotérmica rt=2 y la relación de expansión isentrópica rk=5. El valor de k=1.4

Hallar:

a. Temperatura fría y la presión en cada punto de ciclo.

b. El calor suministrado al ciclo.

c. El calor rechazado.

d. Rendimiento.

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7) Determinar el rendimiento térmico de un motor que funciona según el ciclo reversible de carnot. La

temperatura de suministro del calor es de 500°C y de la extracción de 20°C. Determinar también qué

cantidad de calor se suministra al motor y qué cantidad de calor se extrae de él, si su potencia es de

500 KW.

8) Dos máquinas térmicas M1 y M2 se conecta en serie entre una fuente de calor y un depósito frío. La

temperatura a la cual el calor desprendido por M1 y recibido por M2 es 87° C. La primera máquina

(M1) absorbe 390 kJ de calor y rechaza 170 kJ de calor. Las máquinas tienen los mismos

rendimientos térmicos. Determine:

a. Trabajo W1 y W2 de cada máquina.

b. El rendimiento térmico.

c. Las temperaturas de la fuente caliente y del depósito frío

9) Dos máquinas térmicas reversibles trabajan entre los mismos límites térmicos. Uno desarrolla 50 kW

y una eficiencia de 30%, la otra recibe 4240 kJ/min de la fuente de alta temperatura. Determine el

trabajo desarrollado por la segunda máquina y el calor que cada una cede al punto de baja

temperatura.

10) Una máquina térmica de carnot recibe calor (750ºK) y libera calor de desecho al ambiente (300ºK).

La salida de trabajo total de la máquina térmica se usa para accionar un refrigerador de carnot que

extrae el calor de un espacio enfriado a –15°C a una relación de 400kJ/min y lo regresa al ambiente

a 300ºK. Determine:

a. La transferencia de calor a la máquina térmica.

b. La transferencia de calor total al ambiente.

c. El coeficiente de operación del refrigerador.

11) Una bomba de calor servirá para calentar una casa durante el invierno. La casa se va a mantener a

21°C todo el tiempo. Se estima que la casa consumirá 135000 kJ/h cuando la temperatura exterior

desciende a -5°C. Determine la potencia requerida para accionar esta unidad de bomba de calor.

12) Un refrigerador de carnot opera entre los límites de temperatura de –30°C a 25°C. La potencia

requerida por el refrigerador, la suministra una máquina de carnot que opera entre los límites de

500°C y 25°C. Determínese la relación de calor absorbido por el refrigerador al calor absorbido por la

máquina térmica, η1, COPR.

13) Se emplea una bomba de calor para mantener una casa a una temperatura constante de 23°C. La

casa libera calor hacia el aire exterior a través de las paredes y las ventanas a 60000 kJ/h, mientras

la energía generada dentro de la casa por la gente, las luces y los aparatos asciende a 4000 kJ/h

para un COPac de 2,5. Determine la potencia de entrada de la bomba de calor.

14) Cuando un hombre regresa a su casa (bien aislada) en un día de verano la encuentra a 32°C.

Enciende el aire acondicionado que enfría toda la casa a 20°C en 15 min. Si el coeficiente de

operación del sistema de aire acondicionado (COPREF) es 2,5. Determinar la potencia consumida por

el acondicionador de aire. Suponga que toda la masa dentro de la casa es equivalente a 800 kg de

aire, para mantener la casa a 20°C es necesario extraer 0.72 kJ de energía por kg de aire y por

grado centígrado de diferencia de temperatura entre inicio y final de la casa.

15) Para calentar un edificio durante el invierno se emplea una bomba de calentamiento. El aire exterior

se encuentra a –10°C y se desea mantener el interior del edificio a 25°C. Mediante un análisis previo

de transferencia de calor se estima que las pérdidas de calor del edificio hacia el exterior son

aproximadamente 50000 kcal/h.

a. Determine el flujo de calor absorbido por la bomba de calor.

b. Determine la potencia requerida para lograr el calentamiento.