Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

317
CAPÍTULO 6
Máquinas térmicas y eficiencia térmica
6-8C ¿Es posible que una máquina térmica opere sin rechazar
ningún calor de desecho a un depósito de baja temperatura?
Explique.
6-9C ¿Cuáles son las características de todas las máquinas
térmicas?
6-10C Los calentadores con base de tablilla son básicamente
calentadores de resistencia eléctrica, y se usan con frecuencia
para calefacción de espacios. Una ama de casa asegura que
sus calentadores con base de tablilla, que tienen 5 años de
uso, tienen una eficiencia de conversión del 100 por ciento.
¿Es esta afirmación una violación de algunas leyes termodinámicas?
Explique.
6-11C ¿Cuál es la expresión de Kelvin-Planck de la segunda
ley de la termodinámica?
6-12C ¿Una máquina térmica que tiene una eficiencia térmica
de 100 por ciento viola necesariamente a) la primera ley
y b) la segunda ley de la termodinámica? Explique.
6-13C En ausencia total de fricción y de otras irreversibilidades,
¿puede una máquina térmica tener una eficiencia de
100 por ciento? Explique.
6-14C Las eficiencias de todos los dispositivos productores
de trabajo, incluyendo las plantas hidroeléctricas, ¿están limitadas
por la expresión de Kelvin-Planck de la segunda ley?
Explique.
6-15C Considere una cacerola de agua que se calienta a)
colocándola en una parrilla eléctrica y b) colocando un elemento
calentador en el agua. ¿Cuál de los dos métodos es la
manera más eficiente de calentar el agua? Explique.
6-16E Una máquina térmica tiene una entrada de calor de 3
× 10 4 Btu/h, y una eficiencia térmica de 40 por ciento. Calcule
la potencia que producirá en hp.
3 × 10 4 Btu/h
Entrada
HE
Sumidero
tér = 40%
FIGURA P6-16E
.
W neto
6-17 La eficiencia térmica de una máquina térmica general
es 40 por ciento, y produce 30 hp. ¿A qué tasa se transfiere
calor en este motor, en kJ/s?
6-18 Una planta termoeléctrica de 600 MW, que usa, para
el proceso de enfriamiento, el agua de un río cercano, tiene
una eficiencia térmica de 40 por ciento. Determine la tasa de
transferencia térmica al agua del río. ¿La tasa real de transferencia
será mayor o menor que este valor? ¿Por qué?
6-19 Una máquina térmica que bombea agua para extraerla
de una mina subterránea acepta 700 kJ de calor y produce 250
kJ de trabajo. ¿Cuánto calor rechaza, en kJ?
6-20 Una máquina térmica con una eficiencia térmica de
40 por ciento rechaza 1 000 kJ/kg de calor. ¿Cuánto calor
recibe? Respuesta: 1 667 kJ/kg
6-21 Una planta termoeléctrica con una generación de potencia
de 150 MW consume carbón a razón de 60 toneladas/h. Si
el poder calorífico del carbón es 30,000 kJ/kg, determine la
eficiencia total de esta planta. Respuesta: 30.0 por ciento
6-22 Un motor de automóvil consume combustible a razón
de 22 L/h y entrega a las ruedas una potencia de 55 kW. Si el
combustible tiene un poder calorífico de 44,000 kJ/kg y una
densidad de 0.8 g/cm 3 , determine la eficiencia del motor.
Respuesta: 25.6 por ciento
6-23 En 2001, Estados Unidos produjo 51 por ciento de su
electricidad, 1.878 10 12 kWh, en plantas con quemadores
de carbón. Tomando la eficiencia térmica promedio como 34
por ciento, determine la cantidad de energía térmica rechazada
por las plantas eléctricas de carbón en Estados Unidos
ese año.
6-24 El Departamento de Energía proyecta que entre los años
1995 y 2010, Estados Unidos necesitará construir nuevas plantas
eléctricas para generar una cantidad adicional de 150,000
MW de electricidad para responder a la demanda creciente de
potencia eléctrica. Una posibilidad es construir plantas con
quemadores de carbón, cuya construcción cuesta $1 300 por
kW y tienen una eficiencia de 40 por ciento. Otra posibilidad
es usar las plantas más limpias ecológicamente de Ciclo
Combinado de Gasificación Integrada (IGCC, por sus siglas
en inglés), en las que el carbón se somete a calor y presión
para gasificarlo al mismo tiempo que se eliminan el azufre
y sus derivados. El carbón gasificado se quema luego en
una turbina de gas, y parte del calor de desecho de los gases
de escape se recupera para generar vapor para la turbina de
vapor. Actualmente la construcción de plantas IGCC cuesta
alrededor de $1,500 dólares por kW, pero su eficiencia es alrededor
de 48 por ciento. El poder calorífico promedio del carbón
es alrededor de 28,000,000 kJ por tonelada (es decir, se liberan
28,000,000 kJ de calor al quemar una tonelada de carbón). Si la
planta IGCC ha de recuperar su diferencia de costo por ahorros
en combustible en cinco años, determine cuál debe ser el precio
del carbón en dólares por tonelada.
6-25 Reconsidere el problema 6-24. Utilizando software
EES (u otro), investigue el precio del
carbón para diversos periodos de recuperación de inversión
simple, diversos costos de construcción de planta y diversas
eficiencias operativas.
6-26 Repita el problema 6-24 para un periodo de recuperación
simple de tres años en vez de cinco años.
6-27E La energía solar almacenada en grandes cuerpos de
agua, que se llaman estanques solares, se utiliza para generar
electricidad. Si una planta de energía solar tiene una eficiencia
de 4 por ciento y una generación neta de 350 kW, determine
el valor promedio de la tasa necesaria de recolección de energía
solar, en Btu/h.