Solucionario de Termodinamica Cap 2 Energia.pdf

Termodinámica: un enfoque de ingeniería
2-1
PROPIETARIO Y CONFIDENCIAL
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Séptima edición
manual de soluciones para
Yunus A. Cengel, Michael A. Boles McGraw-
Hill, 2011
Capitulo 2
ENERGÍA, TRANSFERENCIA DE ENERGÍA Y
ANÁLISIS ENERGÉTICOS GENERALES
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2 2
2 2
2-2C La suma de todas las formas de energía que posee un sistema se llama energía total. En ausencia de efectos magnéticos, eléctricos y de tensión
superficial, la energía total de un sistema consta de las energías cinética, potencial e interna.
2-6E Se debe determinar la energía cinética total de un objeto.
2-2
2-3C La energía térmica es la forma sensible y latente de la energía interna, y en la vida diaria se denomina calor.
2-4C La energía mecánica es la forma de energía que se puede convertir en trabajo mecánico completa y directamente mediante un dispositivo mecánico
como una hélice. Se diferencia de la energía térmica en que la energía térmica no se puede convertir en trabajo directa y completamente. Las formas
de energía mecánica de una corriente de fluido son energías cinética, potencial y de flujo.
Análisis La energía cinética total del objeto viene dada por
Formas de energia
Análisis La energía cinética total del objeto viene dada por
El hidrógeno 2-5C también es un combustible, ya que se puede quemar, pero no es una fuente de energía ya que no hay reservas de hidrógeno en
2-1C Las formas macroscópicas de energía son aquellas que posee un sistema como un todo con respecto a algún marco de referencia externo.
Las formas microscópicas de energía, por otro lado, son aquellas relacionadas con la estructura molecular de un sistema y el grado de actividad molecular,
y son independientes de los marcos de referencia externos.
el mundo. El hidrógeno se puede obtener del agua mediante el uso de otra fuente de energía, como la energía solar o nuclear, y luego el hidrógeno
obtenido se puede utilizar como combustible para alimentar automóviles o generadores. Por lo tanto, es más adecuado considerar que el hidrógeno es
un portador de energía que una fuente de energía.
2-7 Se va a determinar la energía cinética total de un objeto.
ÿ
ÿ
ÿ
2
(20 m/s)
(100 kg)
ÿ
=
2
1kJ/kg
1000 m/s
=
V
ÿ ÿ = 20,0 kJ
KE metro
25,037 pies / segundo
(100 pies/
s) (15 lbm)
ÿ
1 Btu/lbm
V
ÿ
2 2
ÿ ÿ
= =
ÿ
ÿ ÿ
KE metro = 3,00 Btu ÿ
2 2
2 2

2 2
2
2 2
2
1kJ/kg
maleta
ÿ
ÿ ÿ = 10,3 kJ ÿ
ÿ E = ÿ = ÿ = PE mg z (30 kg)(9,81
m/s)(35 m)
pequeña.
Por lo tanto, la maleta en el piso 10 tiene 10,3 kJ más de energía en comparación con una maleta idéntica en el nivel del vestíbulo.
ÿ
ÿ
1000 m/s
PE mgz (20 kg) (9,5 m/s) (20 m) ÿ ÿ = ÿ3,8 kJ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
= ÿ
1kJ/kg
1000 m/s
=
2 2
2
2-3
2-9E Se va a determinar la energía potencial total de un objeto.
la maleta está por determinar.
2-11 Una persona con su maleta sube al décimo piso en un ascensor. La parte de la energía del ascensor almacenada en el
Discusión Observando que 1 kWh = 3600 kJ, la energía transferida a la maleta es 10.3/3600 = 0.0029 kWh, que es muy
Análisis Sustituyendo los datos dados en la expresión de energía potencial da
Análisis En el sistema de unidades inglés, la energía potencial específica en Btu viene dada por
Análisis La energía almacenada en la maleta se almacena en forma de energía potencial, que es mgz. Por lo tanto,
2-8E Se va a determinar la energía potencial específica de un objeto.
2-10 Se va a determinar la energía potencial total de un objeto que está por debajo de un nivel de referencia.
Análisis Sustituyendo los datos dados en la expresión de energía potencial da
Suposiciones 1 Los efectos vibratorios en el ascensor son insignificantes.
2
2 2
pe gz (32,1 pies/s) (100 pies)
ÿ
= =
ÿ
PE mgz (200 lbm)(32,2 pies/s)(10 pies)
ÿ
ÿ
=
ÿ
ÿ
1 Btu/lbm ÿ
ÿ ÿ
=
ÿ
ÿ
ÿ
1 Btu/lbm
= 0,128 Btu/lbm ÿ
ÿ
ÿ
= 2,57 Btu
ÿ

2
3
2 2
2
2
e -mec
2
2
W& = m& emech = (35.340 kg/s)(0,050 kJ/kg) = 1770 kW
= E&
1kJ/s
=
ÿ
= ÿ = 5509 kW
Wmáx Emech m& emech (3500 kg/s)(1,574 kJ/kg) ÿ
&
&
ÿ ÿ 1kW ÿ
=
máximo mecánico
Turbina
/ 2 para
10 m/s
Análisis La energía mecánica total que posee el agua en un embalse es
equivalente a la energía potencial del agua en la superficie libre, y se puede convertir
completamente en trabajo.
2-13 El viento sopla constantemente a cierta velocidad. Se determinará la energía mecánica del aire por unidad de masa y el potencial de generación de energía.
60 metros
Por lo tanto, el potencial de potencia del agua es su energía potencial, que es gz por
unidad de masa y m& gz para un caudal másico dado.
Discusión La generación de energía de una turbina eólica es proporcional al cubo de la velocidad del viento y, por lo tanto, la generación de energía cambiará
fuertemente con las condiciones del viento.
Suposiciones El viento sopla constantemente a una velocidad uniforme
constante.
Entonces el potencial de generación de energía se convierte en
Por lo tanto, el embalse tiene potencial para generar 1766 kW de potencia.
Análisis La energía cinética es la única forma de energía mecánica que
posee el viento y se puede convertir completamente en trabajo. Por lo tanto, el
potencial de potencia del viento es su energía cinética, que es V2 /2 por unidad
de masa, y un caudal másico dado:
2 La energía mecánica del agua a la salida de la turbina es despreciable.
Discusión Este problema también se puede resolver considerando un punto en la entrada de la turbina y usando energía de flujo en lugar de energía potencial. Daría
el mismo resultado ya que la energía de flujo en la entrada de la turbina es igual a la energía potencial en la superficie libre del depósito.
Generador
= 1,25 kg/m3 .
Por lo tanto, esta turbina eólica puede generar 1770 kW de potencia real en las condiciones establecidas.
2-4
Propiedades La densidad del aire se da como
2-12 Un generador de turbina hidráulico debe generar electricidad a partir del agua de un gran embalse. El potencial de generación de energía está por determinarse.
160 metros
Turbina
eólica
Viento
1,574 kJ/kg
(9,81 m/s)(160 m) e
= pe = gz =
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ =
1000 m/s
1kJ/kg
ÿ
mecánico
ÿ
Suposiciones 1 La elevación del embalse permanece constante.
ÿ
D
ÿ
ÿ
4
=
= = =
1000 m/s
=
1kJ/kg
=
4
ÿ
ÿ
que
ÿ
ÿ
= (1,25 kg/m )(10 m/s)
(10 m/s)
V
35.340 kg/s
2
(60 metros)
2
m&v
ÿ
ÿ =
m& VA V ÿ
0,050 kJ/kg ÿ
2 2
2

VJ
1000 m/s
ÿ
ÿ =
V
2 ÿ
= = = (60 m/s)
que 1,8 kJ/kg
ÿ
2
ÿ
ÿ
1kJ/kg
2
Por lo tanto, este chorro de agua puede generar 216 kW de potencia en las condiciones
establecidas.
=
=
nosotros mech
ÿ
Eje
Boquilla
1kJ/s
=
&
ÿ = 216 kW
(120 kg/s)(1,8 kJ/kg)
m & e
ÿ
&
ÿ ÿ 1kW ÿ
2-5
Por lo tanto, el potencial de potencia del chorro de agua es su energía cinética,
que es V2 /2 por unidad de masa, y
2-14 Un chorro de agua golpea los baldes ubicados en el perímetro de una rueda a una velocidad y caudal especificados. El potencial de generación
de energía de este sistema está por determinarse.
Análisis La energía cinética es la única forma de energía mecánica aprovechable
que posee el chorro de agua y se puede convertir completamente en trabajo.
/ 2 para un caudal másico dado:
Suposiciones El chorro de agua fluye constantemente a la velocidad y caudal especificados.
m&v
máximo mecánico
Discusión Una turbina hidroeléctrica real (como la rueda Pelton) puede convertir más del 90% de este potencial en
energía eléctrica real.
2 2
2
2
e-mec

2
ÿ
ÿ =
ÿ
ÿ
ÿ
que
que
2
1000 m/s
2
2
ÿ
ÿ
1kJ/kg
1kJ/kg
ÿ
V
2
0,050 kJ/kg
ÿ
(10 m/s)
(7 m/s) ÿ
ÿ =
1000 m/s
= = =
0,0245 kJ/kg
ÿ
= = =
V1Ake1 = (1,25 kg/m3 )(7 m/s)(1m2 )(0,0245 kJ/kg) = 0,2144 kW
ÿ
=
ÿ
/ 2
= m& 1emech,1 =
V2 Ake2 = (1,25 kg/m3 )(10 m/s)(1m2 )(0,050 kJ/kg) = 0,625 kW
&
Emax,1 = Wmax,1ÿt1 = (0,2144 kW)(3000 h/año) = 643 kWh/año (por m de área de flujo)
W&
Emax, 2 = Wmax , 2ÿt2 = (0,625 kW)(2000 h/año) = 1250 kWh/año (por m de área de flujo)
= E&
= m& 2emech, 2
W&
&
= E&
Turbina
eólica
Discusión Tenga en cuenta que la generación de energía de una turbina eólica es proporcional al cubo de la velocidad del viento y, por lo tanto, la
velocidad promedio del viento es la consideración principal en las decisiones de generación de energía eólica.
= 1,25 kg/m3 (es
Suposiciones 1El viento sopla constantemente a una velocidad específica durante tiempos específicos. 2 La generación de energía eólica es insignificante
durante otras horas.
Por lo tanto, el potencial de potencia del viento es su energía cinética, que es V2 /
2 por unidad de masa y tasa m&V . Considerando un área de flujo unitario (A = 1
m
ya que 1 kW = 1 kJ/s. Entonces las máximas generaciones de energía eléctrica por año se convierten en
Propiedades Consideramos que la densidad del aire no
afecta la respuesta final).
la energía y la generación de energía se convierte en
V, m/s
), el viento máximo
Por lo tanto, el segundo sitio es mejor para la generación eólica.
2-6
Análisis La energía cinética es la única forma de energía mecánica.
2-15 Se están considerando dos sitios con datos eólicos específicos para la generación de energía eólica. Se determinará el sitio más adecuado para la
generación de energía eólica.
el viento posee, y puede convertirse enteramente en trabajo.
para un caudal másico dado
Viento
2
mecánico, 2
mecánico, 1
máx, 1
máximo, 2
2
2
ÿ
V 2
2
2 2
e
mec,1
2
2
1
e
mech, 2
2 2
2
2
1

Río
Por lo tanto, a partir de este río se pueden generar 137 MW de potencia si se recupera completamente su potencial energético.
El caudal másico es
Discusión Tenga en cuenta que la potencia de salida de una turbina real será inferior a 137 MW debido a pérdidas e ineficiencias.
Análisis La energía mecánica total que posee el agua en una represa es
equivalente a la energía potencial del agua en la superficie libre de la represa (en
relación con la superficie libre del agua de descarga), y se puede convertir
completamente en trabajo. Por lo tanto, el potencial de potencia del agua es su
energía potencial, que es gz por unidad de masa, y m& gz
Entonces el potencial de generación de energía se convierte en
= 1000kg/m3 .
para
un caudal másico dado.
2-7
Propiedades Consideramos que la densidad del agua es
80 metros
2-16 Un río que fluye constantemente a un caudal específico se considera para la generación de energía hidroeléctrica al recolectar el agua en
una presa. Para una altura de agua específica, se determinará el potencial de generación de energía.
ÿ
ÿ 0,7848 kJ/kg
1000 m/s
ÿ
ÿ =
mecánico
ÿ
1kJ/kg
(9,81 m/s)(80 m) e
= pe = gz =
ÿ
= = ÿ ÿ ÿ
ÿ = 137 MW
Wmax Emech m& emech (175.000 kg/s)(0,7848 kJ/kg) ÿ
=
&
=
=
&
(1000 kg/m )(175 m /s) 175 000 kg/s
1MW
=
&
metro&
ÿ
V
ÿ
1000 kJ/s
3 3
Suposiciones 1 La cota dada es la cota de la superficie libre del río. 2 La energía mecánica del agua a la salida de
la turbina es despreciable.
ÿ
2
2 2

mecánico
3
máximo
3
= + = + = e mech
2
ÿ
Por lo tanto, se pueden generar 444 MW de energía a partir de este río a medida que descarga en el lago si se puede recuperar completamente
su potencial de energía.
ÿ
ÿ ÿ = 0,887 kJ/kg ÿ
ÿ
1kJ/kg
pe ke gh (9,81 m/s) (90 m) ÿ
El potencial de generación de energía del agua del río se obtiene multiplicando la energía mecánica total por el caudal másico,
ÿ 1000 m/s
ÿ
(3 m/s)
90 metros
ÿ
2
ÿ
ÿ ÿ
3 m/s
V
+
Río
ÿ
= E&
W& = m& emech = (500.000 kg/s)(0,887 kJ/kg) = 444.000 kW = 444 MW
2-8
Análisis Observando que la suma de la energía de flujo y la energía
potencial es constante para un cuerpo fluido dado, podemos tomar la
elevación de todo el agua del río como la elevación de la superficie libre e
ignorar la energía de flujo. Entonces la energía mecánica total del agua del
río por unidad de masa se convierte en
2-17 Un río fluye a una velocidad, caudal y elevación especificados. Se determinará la energía mecánica total del agua del río por unidad de masa y
el potencial de generación de energía de todo el río.
= 1000kg/m3 .
2
2 2
2
2
Suposiciones 1 La cota dada es la cota de la superficie libre del río. 2 La velocidad dada es la velocidad promedio. 3 La energía mecánica del
agua a la salida de la turbina es despreciable.
ÿ
Discusión Tenga en cuenta que la energía cinética del agua es insignificante en comparación con la energía potencial y puede
ignorarse en el análisis. Además, la potencia de salida de una turbina real será inferior a 444 MW debido a pérdidas e ineficiencias.
=
=
&
V
ÿ = (1000 kg/m )(500 m /s) 500 000 kg/s
metro&

2-20C Un proceso adiabático es un proceso durante el cual no hay transferencia de calor. Un sistema que no intercambia calor con su entorno es un sistema adiabático.
Muevete.
2-21C Las funciones de punto dependen únicamente del estado, mientras que las funciones de trayectoria dependen de la trayectoria seguida durante un proceso.
(e) Los componentes más calientes del automóvil agregan calor al aire atmosférico. Se está realizando trabajo en el aire a medida que pasa sobre y a través
del automóvil.
2-18C La energía puede cruzar los límites de un sistema cerrado en dos formas: calor y trabajo.
(d) Hay una pequeña cantidad de transferencia de calor entre los neumáticos y la carretera. Suponiendo que los neumáticos están más calientes que el
2-19C La forma de energía que cruza la frontera de un sistema cerrado debido a una diferencia de temperatura es el calor; todas las demás formas son trabajo.
carretera, la transferencia de calor es de los neumáticos a la carretera. No hay bolsa de trabajo asociada a la carretera ya que no puede
(b) El motor caliente transfiere calor al fluido refrigerante y al aire ambiente mientras entrega trabajo a la transmisión.
2-9
(c) Las llantas calientes transfieren calor al aire más frío y, hasta cierto punto, a la carretera más fría mientras no se produce trabajo.
Transferencia de energía por calor y trabajo
No se produce trabajo ya que no hay movimiento de las fuerzas que actúan en la interfaz entre el neumático y la carretera.
Las propiedades de las sustancias son funciones puntuales, el calor y el trabajo son funciones de trayectoria.
2-23C Cuando se cambia la longitud del resorte al aplicarle una fuerza, la interacción es una interacción de trabajo, ya que involucra una fuerza que actúa a través
de un desplazamiento. Se requiere una interacción de calor para cambiar la temperatura (y, por lo tanto, la longitud) del resorte.
2-22C (a) El radiador del automóvil transfiere calor del fluido de enfriamiento del motor caliente al aire más frío. No se produce interacción de trabajo en el radiador.

1W
ÿ ÿ
1kg m/s
= 5 kgÿm /s ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ ÿ ÿ ÿ
(5 vatios)
ÿ
1J
1J/segundo
ÿ
ÿ
1N·m
ÿ
1N
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
=
ÿ
745,7W
ÿ ÿ ÿ ÿ 778.169 lbf pie/s
ÿ ÿ ÿ
&
ÿ
ÿ = 0,0134 CV
W (10 W) ÿ
1 Btu/s
1 Btu/s
ÿ
1055.056W
1hp
ÿ
ÿ
ÿ
=
ÿ
ÿ
=
ÿ ÿ = 7,38 lbf ÿft/s
W (10 W) ÿ
&
&
=
Análisis Usando factores de conversión apropiados, obtenemos
(c) El calor se transfiere a través de las paredes de la habitación desde el aire caliente de la habitación al aire frío del invierno. Se está
realizando trabajo eléctrico en la habitación a través del cableado eléctrico que conduce a la habitación.
W (5 W) ÿ ÿ
transfiere calor de todas sus partes eléctricas al entorno.
trabajo eléctrico y dos transferencias de calor. Hay una transferencia de calor del aire de la habitación al refrigerador a través de sus paredes.
ÿ
ÿ
2-10
Análisis Usando factores de conversión apropiados, obtenemos
1W
aire. Por lo tanto, hay una transferencia de calor a los alrededores.
1N·m
(b)
ÿ
Al mismo tiempo, la temperatura de las partes eléctricas aumenta ligeramente. El trabajo realizado sobre las teclas cuando se presionan es
trabajo realizado sobre el sistema (es decir, el teclado). El flujo de corriente eléctrica (con su caída de voltaje) funciona en el teclado. Dado que la
temperatura de las partes eléctricas del teclado es algo más alta que la del aire circundante, se produce una transferencia de calor del teclado al aire
circundante.
ÿ = 5 Nÿm/s
2-26 La potencia producida por un motor eléctrico debe expresarse en diferentes unidades.
También hay una transferencia de calor desde las partes calientes del sistema del refrigerador (es decir, la parte posterior del compresor donde se
coloca el condensador) al aire de la habitación. Finalmente, se agrega trabajo eléctrico al refrigerador a través del sistema de refrigeración.
ÿ ÿ ÿ ÿ
(b)
1J
(b) Considerando el sistema formado por la caja del refrigerador cuando las puertas están cerradas, hay tres interacciones,
(d) A continuación, se realiza un trabajo eléctrico sobre toda la unidad y un trabajo mecánico sobre ella para presionar las teclas. También
ÿ
(a)
2-27E La potencia producida por el motor de un modelo de avión debe expresarse en diferentes unidades.
1J/segundo
(b) El monitor es alimentado por la corriente eléctrica que se le suministra. Esta corriente (y caída de voltaje) es trabajo realizado en el
sistema (es decir, monitor). Las temperaturas de las partes eléctricas del monitor son más altas que las del entorno.
ÿ
(c) La unidad de procesamiento es como el monitor en que se realiza trabajo eléctrico sobre ella mientras transfiere calor a los
alrededores.
2-24C (a) Desde la perspectiva del contenido, se debe eliminar el calor para reducir y mantener la temperatura del contenido. También se
agrega calor al contenido del aire de la habitación, ya que el aire de la habitación está más caliente que el contenido.
ÿ
2-25C (a) A medida que se escribe en el teclado, se producen señales eléctricas y se transmiten a la unidad de procesamiento.
(a)
2
2 3
W&

1
(800 kg) 0
ÿ
ÿ
= 309kJ
(
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
3600 s
ÿ
ÿ
2
ÿ
ÿ =
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ ÿ
)
ÿ
1 100.000m ÿ
2
Wam VV ÿ
ÿ
ÿ
ÿ ÿ
ÿ
ÿ
1000 kg m /s
ÿ
ÿ
1kJ
=
W = 144 000 lbf ÿ pies = 185 Btu
1
2
2 2
2
2 2
2-30E Se considera una grúa de construcción que levanta una viga de concreto. La cantidad de trabajo se determinará considerando (a) la viga y
(b) la grúa como sistema.
Análisis El trabajo necesario para acelerar un cuerpo el cambio en la energía cinética del cuerpo,
ser el
.
Análisis (a) El trabajo se realiza sobre la viga y se determina a partir de
(b) Aplicando la misma lógica al carrito y su contenido da
Análisis (a) Considerando al hombre como el sistema, siendo l el desplazamiento a lo largo de la rampa, y siendo el ángulo de
inclinación de la rampa,
2-28C El trabajo realizado es el mismo, pero la potencia es diferente.
2-29 Un automóvil se acelera desde el reposo hasta 100 km/h. El trabajo necesario para lograr esto está por determinarse.
Este es el trabajo que debe realizar el hombre para elevar el peso del carro y su contenido, más su propio peso, una distancia de lsin
(b) Dado que la grúa debe producir la misma cantidad de trabajo que se requiere para
levantar la viga, el trabajo realizado por la grúa es
2-11
2-31E Un hombre empuja un carrito con su contenido por una rampa inclinada en un ángulo de 10° con respecto a la horizontal. El trabajo necesario
para moverse a lo largo de esta rampa se determinará considerando (a) el hombre y (b) el carro y su contenido como el sistema.
Formas Mecánicas de Trabajo
24 pies
2.231Btu
ÿ =
ÿ
1Btu
ÿ
ÿ
=
ÿ
ÿ
778.169 libras pie
ÿ
(100 180 lbf)(100 pies)sen(10)
=
ÿ
ÿ
ÿ
=
=
144.000 lbf·ft
ÿ
ÿ
32,174 lbm pie/s
778.169 libras pie
W Fl pecado
ÿ
ÿ
1 libra
ÿ
ÿ
ÿ
=
=
185 Btu
= ÿ = ×
ÿ
=
ÿ
ÿ
1Btu
ÿ
(144.000 libras-pie)
(1736 libras-pie)
W Fl sin
=
ÿ
+
ÿ
=
ÿ
ÿ =
W mg z
ÿ
ÿ
1Btu
(2 3000 lbm)(32,174 pies/s ) 2
(4862 libras-pie)
ÿ
=
(100 lbf)(100 pies)sen(10)
ÿ
6.248 Btu
ÿ =
ÿ
(24 pies)
4862 libras pie
1736 libras por pie
ÿ
ÿ
ÿ
778.169 libras pie
ÿ
ÿ
2

ÿ ÿ ÿ
]
[
0 (
=
ÿ =
2,835 libras por pulgada (2,835 libras por pulgada)
ÿ
V
ÿ
ÿ
×
2
1Btu
2
0
X
ÿ
F
mi
ÿ
ÿ -4 ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ =
W
=
=
)
4.11 10 Btu ÿ
(2,356 pulg.) (30 000 lbf/pulg.)
9338 libras por pulgada
(0,125/12 pulgadas)
2
2 2
1
1
0
2
2
2
3
2 2
2
1
2
1
ÿ ÿ
V
2
2
2
3
1
2
2
2
D
778.169 libras pie
ÿ
ÿ
2
1Btu
ÿ
ÿ ÿ = 8,33 libras pie
=
(1 pulgada) 0
=
ÿ
XX
(0,5 pulgadas)
=
0.0107 Btu
=
4
(12 pulgadas) 2,356 pulgadas
ÿ =
ÿ
ÿ
200 libras por pulgada
12 en
L
ÿ
=
=
ÿ
ÿ
=
ÿ
W Fds kxdx k xdx
ÿ 1 pie ÿ
(8,33 libras por pie)
4
=
ÿ
ÿ
k
( 2 )
=
El trabajo requerido para estirar la barra 0.125 in es
]
[
2-12
2-32E Se debe determinar el trabajo requerido para comprimir un resorte.
Análisis Como no hay precarga, F = kx. Sustituyendo esto en la expresión del trabajo da
ÿ
Análisis El volumen original de la barra es
Suposiciones El módulo de Young no cambia a medida que se estira la barra.
Análisis El trabajo de tensión superficial se determina a partir de
2-33E Se debe determinar el trabajo requerido para expandir una pompa de jabón.
2-34E Se debe determinar el trabajo requerido para estirar una varilla de acero en una longitud específica.
) (0,005 lbf/pie)4 (2 /12 pies)
ÿ
= 0,00164 libras por pie (0,00164 libras por pie) ×
(0,5 /12 pies)
ÿ
=
1Btu
( ÿ = ÿ
ÿ
W =
ÿ
ÿ
=
sdA
ÿ
ÿ
ÿ
778,2 libras pie
ÿ = ÿ
ÿ ÿ
]
[
2
AA 1 2
2
-6 2.11 10 Btu
1
2

ÿ
ÿ ÿ
[ ]
1
1
1
2
2
2
2
0 2
2 2
2
2
2
2
2 2
2
2
1 1
2
1
2
1
Análisis La fuerza en cualquier punto durante la deflexión del resorte viene dada por F = F0 + kx, donde F0 es la fuerza inicial y
X
F
2-35E Se debe determinar el trabajo requerido para comprimir un resorte.
F
2-13
X
x es la deflexión medida desde el punto donde se produjo la fuerza inicial. Desde la perspectiva del resorte, esta fuerza actúa en
la dirección opuesta a la que se desvía el resorte. Después,
Análisis Como no hay precarga, F = kx. Sustituyendo esto en la expresión del trabajo da
2-36 Se va a determinar el trabajo requerido para comprimir un resorte.
ÿ ÿ
W Fds kxdx k xdx
=
ÿ
=
300 kN/m
=
2
ÿ
ÿ
ÿ
1kN·m
k
( 2
ÿ = 0,135 kJ
(0,135 kN·m)
(0,03m) 0
)
ÿ
= XX ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
=
0,135 kN·m
1kJ
=
=
[ ]
2
ÿ
(100 lbf) (1 0) pulg.
=
ÿ
=
ÿ
ÿ
ÿ
200 lbf/in
(1 0 )in
=
XX
12 en
778.169 libras pie
=
(
( ÿ + 1 2
=
ÿ
1 pie
ÿ
ÿ
ÿ
k
(
=
200 lbf en
ÿ = 0,0214 Btu
(200 lbf pulg)
ÿ
W Fds F kx dx + 0
ÿ
ÿ
ÿ ÿ
ÿ
F xx )
)
+
1Btu
)
ÿ
ÿ

&
&
Suposiciones 1 La fricción y el arrastre del aire son despreciables. 2 La masa promedio de cada silla cargada es de 250 kg. 3 La masa
de sillas es pequeña en relación con la masa de personas y, por lo tanto, la contribución de devolver las sillas vacías al movimiento es
(
2 2
Wa = metro V ÿV ÿt = (12 500 kg) (2,778 m/s) 0
ÿ
(10 km/h)
1kJ/kg
=
ÿ
Carga = (50 sillas)(250 kg/silla) = 12.500 kg
ÿ
)
ÿ
1 kilómetro
La velocidad del ascensor durante la operación constante y la aceleración durante el arranque son
3,6 km/h
ignorado (esto proporciona un factor de seguridad).
0,1 h 360 s
2-14
2
(
1 m/s
/(5 s) 9,6 kW
ÿt =
velocidad
ÿ
1 ) /
2,778 m/s
A 10 km/h, tardará
para hacer este trabajo. Por lo tanto, la potencia necesaria es
=
Análisis El ascensor tiene 1000 m de largo y las sillas están separadas 20 m. Por lo tanto, en un momento dado hay 1000/20 = 50 sillas levantadas.
Considerando que la masa de cada silla es de 250 kg, la carga del ascensor en un momento dado es
ÿ
De este modo,
Suponiendo que la potencia aplicada es constante, la aceleración también será constante y la distancia vertical recorrida durante la aceleración
será
V =
Durante la aceleración, la potencia necesaria es
1
ÿ
y
ÿ
1000 m/s
10 km/h
ÿ
ÿ
ÿ
distancia
ÿ
2-37 Un telesilla opera constantemente a 10 km/h. Se determinará la potencia requerida para operar y también para acelerar este teleférico desde el
reposo hasta la velocidad de operación.
2
=
=
Despreciando el trabajo realizado sobre el sistema por las sillas vacías que regresan, el trabajo necesario para elevar esta masa 200 m es
ÿ
ÿ =
ÿ
V
t
=
2,778 m/s-0
1
=
ÿ
ÿ
(0,556 m/s) (5 s) (0,2) 1,39 m
2
2
=
=
1000 metros
200 metros
=
5 segundos
2 0,556 m/s
1 2 =
a las 2
1 2 h
= en sen
a
gramo
gramo
total a gramo
W
ÿt _ 360 s
& W
= 68,1kW
=
24.525kJ
=
W& +W&
= W& = 9,6 + 34,1 = 43,7 kilovatios
2
1
2 2
1
2
2
2
2 1
2
2 2
2
2 2
2
(
ÿ
)
ÿ
ÿ
ÿ
) / Wg = mg z ÿ z ÿt = (12 500 kg)(9,81 m/s)(1,39 m) ÿ
1kJ/kg =
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
1000 kg m /s
ÿ
ÿ
ÿ
( Wg = mg z ÿ z =
1kJ
/(5 s) 34,1 kW
(12.500 kg)(9,81 m/s)(200 m) ÿ 24.525kJ
ÿ
1000 kg m /s
ÿ
=ÿ

]
= +
= 0 + 47,0 = 47,0 kilovatios
&
&
+ W&
&
&
= W&
&
&
= + = ÿ57,5 + 47,1 = ÿ10,5 kW (potencia de corte)
W&
gramo
a
total
W Wa Wg
total
ÿ
ÿ
=
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ =
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
= ÿ
(
ÿ
1
1000 kg m /s
1kJ
ÿ
/(12 s) ÿ
35 m/s
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ ÿ
2
= 0
ÿ
1 ) ) / 57,5 kilovatios
Wa = metro V ÿV ÿt = (1150 kg) 5 m/s 2
&
&
&
1000 kg m /s
(b) La potencia necesaria para acelerar es
1 ) ) /
(
y
y
ya que la velocidad es constante. Asimismo, las verticales
Análisis La potencia total requerida para cada caso es la suma de las tasas
de cambios en las energías potencial y cinética. Eso es,
. Por lo
tanto, = 0
2-15
2-39 Un automóvil dañado está siendo remolcado por un camión. La potencia adicional necesaria debe determinarse para tres casos diferentes.
(b)
1kJ
1000 kg m /s
/(12 s) 43,1 kW
(a) Cero.
2
) / Wg = mg z ÿ z ÿt = (1150 kg)(9,81 m/s)(50 m) ÿ
1kJ
/(12 s) 47,0 kW
(a)
la elevación es h = (100 m)(sen 30°) = 50 m. De este modo,
. De este modo,
y
1
Suposiciones La resistencia aerodinámica, la fricción y la resistencia a la rodadura son despreciables.
(C)
Análisis La potencia total requerida para cada caso es la suma de las tasas de cambios en las energías potencial y cinética. Eso es,
(c) La potencia necesaria para desacelerar es
(
0
2-38 Un automóvil sube una colina en 12 s. La potencia necesaria se determinará para tres casos diferentes.
Suposiciones La resistencia aerodinámica, la fricción y la resistencia a la rodadura son despreciables.
Wa = metro V ÿV ÿt = (1150 kg) 30 m/s 2
) ]
2
2
1
2
2
2 2
2
2 1
2
1
2 2
2
2 2 2
2
2
gramo
a
W&
a
total
W&
a
2
o
gramo
gramo
2 2
z
2
2
2 2
total
1
total
2 2
2
1
= = ÿ = (1200 kg)
ÿ
ÿ
ÿ
&
1kJ/kg
ÿz
( _
ÿ
2 ÿ
ÿ
90.000 m ÿ
=
0
ÿ
ÿ
ÿ ÿ
1000 m/s
) /
ÿ
50.000 m
&
ÿ
1kJ/kg
1000 m/s
ÿ /(12 s) = 31,3 kW
ÿ
1
ÿ
= =
(1200 kg)(9,81 m/s)
ÿ
= 81,7 kW (0,5)
ÿ
t
3600 s
3600 s
ÿ
&
ÿ
(
ÿ
ÿ ÿ
ÿ
pecado 30
ÿ
ÿ
ÿ ÿ
t mg ÿ
ÿ
ÿ
=
1
ÿ
W&
ÿ
WW m VV t ÿ
ÿ
mgV mgV
ÿ
ÿ
ÿ
&
WW mg zz ) / ÿ ÿ =
ÿ
2
ÿ
ÿ
ÿ
=
ÿ
= 0
W&
=W& + W& = 47,0 + 43,1 = 90,1 kilovatios
[(
W Wa Wg
total
Wtotal Wa Wg
a
(
[(
& &
= +
&

Ahorro de costos = (Ahorro de combustible)(Costo unitario de combustible) = (23.2 gal/año) ($2.20/gal) = $51.0/año
2 2
2 2
2
Bajo
2
2
1 (30 m/s) (0 m/s)
2
ÿ
ÿ
=
vv 1kJ/kg
2 ÿ
ÿ
1000 m/s
ÿ ÿ = 0,45 kJ/kg
ÿ
ÿ
k
ÿ =
ÿ
=
=
= 428,6 gal/año 405,4 gal/año 23,2 gal/año
Consumo anual de combustible
ÿ
Ahorro de combustible Consumo anual de combustible
Bajo
Alto
Discusión Una llanta típica dura aproximadamente 3 años y, por lo tanto, las llantas de baja resistencia a la rodadura tienen el potencial de ahorrar alrededor de $150
al propietario del automóvil durante la vida útil de las llantas, lo que es comparable al costo de instalación de las llantas.
Calentador 2-42C . Porque se agrega energía al aire de la habitación en forma de trabajo eléctrico.
35 millas/gal
405.4 gal/año
2-43E Los neumáticos de alta resistencia a la rodadura de un automóvil se sustituyen por unos de baja resistencia a la rodadura. Para un costo unitario específico de
combustible, se debe determinar el dinero ahorrado al cambiar a neumáticos de baja resistencia.
Alto consumo anual de combustible
2-44 Se va a determinar el cambio de energía específico de un sistema que se acelera.
15,000 millas/año
Análisis Dado que la única propiedad que cambia para este sistema es la velocidad, solo cambiará la energía cinética. El cambio en la energía específica es
Millas por galón
2-40C No. Este es el caso de los sistemas adiabáticos únicamente.
37 millas/galón
2-41C La energía se puede transferir hacia o desde un volumen de control como calor, varias formas de trabajo y transporte de masa.
15,000 millas/año
Millas conducidas por año
Consumo anual de combustible
2-16
Millas por galón
Entonces el combustible y el dinero ahorrado por año se convierten en
La primera ley de la termodinámica
Millas conducidas por año
Suposiciones 1Las llantas de baja resistencia a la rodadura entregan 2 mpg en todas las velocidades. 2 El automóvil recorre 15,000 millas por año.
428.6 gal/año
Análisis La cantidad anual de combustible consumido por este automóvil en llantas de alta y baja resistencia a la rodadura son
=
= =
=
=
=

Refrigeración Q
+
gente Ganancia de calor
P2 P1
3
3
ÿ 1000 m/s
ÿ = pe
g(z z ) (9,8 m/s )(100 0) m
1kJ/kg
ÿ
ÿ
ÿ ÿ ÿ = 0,98 kJ/kg
ÿ
ÿ =
40 personas
10 bombillas
Q + luces
5kW/unidad
Preguntas y respuestas
= 1,83 ÿÿÿ2 unidades
= +1 4 + 4 17 = 9,17 kW
&Q
=
&
9,17 kilovatios
.
&
2 2 2
1
2
&
40 360 kJ/h 4 kW
&
=
q
= ×
q
q
=
&
15.000 kJ/h 4,17 kW
=
10 100 W 1 kW
= ×
luces
=
ÿ
ÿ
ÿ
W
0,7068 Btu/s
ÿ
ÿ
(1,2 pies/s)(50 10) psia
&
ÿ
ÿ
( )
ÿ
1Btu ÿ 1hp
ÿ
5.404 psia pies ÿ
&
ÿ
ÿ
=
V
ÿ
ÿ
=
ÿ
ÿ
= 12,6 CV
50 psia
sustituyendo,
Análisis La carga total de refrigeración de la habitación se determina a partir de
Análisis Dado que la única propiedad que cambia para este sistema es la elevación, solo cambiará la energía potencial. El cambio en la energía específica es
entonces
dónde
Por lo tanto, el número de unidades de aire acondicionado requeridas es
15.000 kJ/hora
Agua
2-47 Se va a climatizar un salón de clases usando unidades de aire acondicionado de ventana. La carga de enfriamiento se debe a las personas, las luces y la
transferencia de calor a través de las paredes y las ventanas. Se debe determinar el número de unidades de aire acondicionado de ventana de 5 kW requeridas.
10 psia
Habitación
2-45 Se va a determinar el cambio de energía específico de un sistema que se eleva.
Suposiciones No hay equipo disipador de calor (como computadoras, televisores o estufas) en la habitación.
2-46E Una bomba de agua aumenta la presión del agua. La potencia de entrada está por determinarse.
2-17
Análisis La potencia de entrada se determina a partir de
La temperatura del agua en la entrada no tiene ningún efecto significativo sobre la potencia requerida.
gente
Ganancia de calor
enfriamiento
Qcool
MATERIAL PROPIETARIO. © 2011 The McGraw-Hill Companies, Inc. Distribución limitada permitida solo a maestros y educadores para la preparación del curso.
Si usted es un estudiante que usa este Manual, lo está usando sin permiso.
·

Iluminación E , total
=
&
=
+
iluminación, iluminación de aulas, oficinas
=
&
&
×
× ×
mi
× ×
=
mi
=
mi
264 264 528 kilovatios
+ =
×
=
(Potencia consumida por lámpara) (Nº de lámparas) = (200 12 110 W) = 264 000 264 kW
(Potencia consumida por lámpara) (Nº de lámparas) = (400 6 110 W) = 264 000 264 kW
&
&
mi
Esto da un período de recuperación simple de
de 9×365 = 3285 horas libres al año. Sin tener en cuenta el factor de lastre, los ahorros anuales de energía y costos se vuelven
2-49 Las aulas y las oficinas de la facultad de un campus universitario no se ocupan un promedio de 4 horas al día, pero las luces se mantienen encendidas. Se
determinarán las cantidades de electricidad y dinero que el campus ahorrará por año si las luces se apagan durante los períodos de desocupación.
Ahorro de energía = (Número de lámparas)(Vataje de la lámpara)(Reducción de las horas de funcionamiento anuales)
Costo de implementación
Análisis La energía eléctrica total consumida por las luces de las aulas y oficinas de la facultad es
(2.3meses)
$378 / año
Teniendo en cuenta que el campus está abierto los 240 días del año, el número total de horas de trabajo desocupadas por año es
Horas desocupadas = (4 horas/día)(240 días/año) = 960 h/año
Supuestos La energía eléctrica consumida por los balastos es despreciable.
El costo de implementación de esta medida es la suma del precio de compra del sensor más la
mano de obra,
Análisis La planta opera 12 horas al día y, por lo tanto, actualmente las luces están encendidas durante todo el período de 12 horas. Los sensores de
movimiento instalados mantendrán las luces encendidas durante 3 horas y apagadas las 9 horas restantes todos los días. Esto corresponde a un total
Costo de implementación = Material + Mano de obra = $32 + $40 = $72
Ahorro de costes = (Ahorro de energía)(Coste unitario de energía)
$72
Por lo tanto, el sensor de movimiento se pagará solo en unos 2 meses.
2-18
= (4730 kWh/año) ($0.08/kWh)
= 0,19 año
Discusión Tenga en cuenta que las medidas simples de conservación pueden resultar en ahorros significativos de energía y costos.
= $378/año
2-48 El consumo de energía de iluminación de una sala de almacenamiento se reducirá mediante la instalación de sensores de movimiento. Se
determinará la cantidad de energía y dinero que se ahorrará, así como el período de recuperación simple.
= (24 lámparas)(60 W/lámpara)(3285 horas/año)
Período de recuperación simple =
Luego, la cantidad de energía eléctrica consumida por año durante el período de trabajo desocupado y su costo son
= 4730 kWh/año
Ahorro de costos anual
= = $41,564/año
=
Ahorro de energía ( iluminación, total )(Horas desocupadas) (528 kW)(960 h/año) 506 880 kWh
Ahorro de costos (Ahorro de energía)(Costo unitario de energía) (506 880 kWh/año) ($0,082/kWh)
=
&
=
=
=
iluminación, salón de clases
iluminación, oficinas

afuera
por calor, trabajo y masa
2 2
afuera
2
aire
© 0 (fijo)
W m & sh, en el
aire
Tasa de transferencia de energía neta
2
energías potenciales, etc.
aire
2
afuera
Sustituyendo, se determina que la entrada de potencia mínima requerida es
= 1,18 kg/m3 .
=
EE en
fuera 14243
ya que no sale energía de la habitación de ninguna forma y, por lo tanto, Eout
ÿ
metro&
ÿ
&
HABITACIÓN
2
&
que
Electricidad
=
EE dentro
fuera
V
=
&
14243 14 2 44 4 3 44 Tasa de cambio en interno, cinético,
/ dt
0
14243 Tasa de
cambio en interno, cinético,
=
Sustituyendo, la tasa de aumento en el contenido de energía de la habitación se convierte en
=
ÿ
&
W m & sh, en
sistema dE
dónde
= 0 . También,
sistema dE / dt
&
en Refrigerador de luces TELEVISOR planchar
habitación
3
aire
3
en
&
=
&
dt / =
Delaware
metro&
&
(1,18 kg/m )(9 m /s) 10,62 kg/s
= =
&
=
V
ÿ
- Luces
- Refrigeración
- TELEVISOR
- Hierro
&
ÿ Ein Eout
ein
2-19
ÿ
2-50 Una habitación contiene una bombilla, un televisor, un refrigerador y una plancha. Debe determinarse la tasa de aumento del contenido de
energía de la habitación cuando todos estos dispositivos eléctricos están encendidos.
Análisis Tomando la habitación como sistema, la forma de tasa del balance de energía se puede escribir como
dEhabitación / dt = E&
1J/kg
ÿ
ÿ
(8 m/s)
(10,62 kg/s) 2 340 J/s
=
2
=
1 m/s
= 340W
ÿ
ÿ =
ÿ
= 1410W
V
ÿ
&
Suposiciones 1 La habitación está bien sellada y la pérdida de calor de la habitación es insignificante. 2 Todos los electrodomésticos se mantienen encendidos.
2-51 Un ventilador debe acelerar el aire en reposo a una velocidad específica con un caudal específico. Se determinará la potencia mínima que debe suministrarse al
ventilador.
Suposiciones El ventilador funciona constantemente.
Discusión Tenga en cuenta que algunos electrodomésticos, como refrigeradores y planchas, funcionan de manera intermitente, encendiéndose y apagándose
controlados por un termostato. Por lo tanto, la tasa de transferencia de energía a la habitación, en general, será menor.
Discusión El principio de conservación de la energía requiere que la energía se conserve a medida que se convierte de una forma a otra, y no permite que se cree o
destruya ninguna energía durante un proceso. En realidad, la potencia requerida será considerablemente mayor debido a las pérdidas asociadas con la conversión de la
energía mecánica del eje en energía cinética del aire.
Análisis Un ventilador transmite la energía mecánica del eje (potencia del eje) a la energía mecánica del aire (energía cinética). Para un volumen de control que encierra
el ventilador, el balance de energía se puede escribir como
E& = E& + E& + E& + E&
= 1410W
= + + +
100 110 200 1000W

VA = (0,075 lbm/pie)(3 3 pies)(22 pies/s) 14,85 lbm/s
=
=
m
& aire
×
&
&
ÿ =
ÿ Ein Eout
ÿ
3 2
por calor, trabajo y masa potencial, etc. energías
2
afuera
Tasa de cambio en interna, cinética,
afuera
© 0 (fijo)
2
ya que 1 Btu = 1.055 kJ y 1 kJ/s = 1000 W.
&
ÿ
Elegimos , en
Sustituyendo, se determina que la entrada de potencia mínima requerida es
=
=
Discusión El principio de conservación de la energía requiere que la energía se conserve a medida que se convierte de una forma a otra, y no permite que se cree
o destruya ninguna energía durante un proceso. En realidad, la potencia requerida será considerablemente mayor debido a las pérdidas asociadas con la conversión
de eje eléctrico a mecánico y eje mecánico a energía cinética del aire.
=
que
= 0,075 lbm/ft3 .
&
sistema dE / dt 0
m
& aire
2-20
14243 14 2 44 4 3 44 Tasa de transferencia neta de
energía
&
m & ventilar
2-52E Un ventilador acelera el aire a una velocidad específica en un conducto cuadrado. Se determinará la potencia eléctrica mínima que debe suministrarse al
motor del ventilador.
dónde
Análisis El motor de un ventilador convierte la energía eléctrica en energía mecánica del eje, y el ventilador transmite la energía mecánica del eje (potencia del eje) en
energía mecánica del aire (energía cinética). Para un volumen de control que encierra la unidad del motor del ventilador, el balance de energía se puede escribir como
=
EE en
V
afuera
2
2 2
2
Suposiciones 1 El ventilador funciona constantemente. 2 No hay pérdidas de conversión.
ÿ
W m en el
aire
&
ÿ
ÿ
ÿ
V
ÿ = 0,1435 Btu/s = 151W
2
=
ÿ
= (22 pies/
s) (14,85 lbm/s) 2
1 Btu/lbm
ÿ
ÿ

& &
&
&
máximo
sistema
afuera
© 0 (fijo)
en
Tasa de cambio en interna, cinética,
v/v
= ( =
+ ÿP
W = metro PAGS - PAGS )
en 2 1
W m&(P ) m&(P )
& &
=
V
v
v
v 1
en
Ein Eout
2
ÿ
&
y los cambios en las energías cinética y potencial de la gasolina son
insignificantes, resolviendo para el caudal volumétrico y sustituyendo, el máximo
Delaware
7 kPa
W&
=
ÿ
EE en
Una bomba de gasolina eleva la presión a un valor específico mientras consume energía eléctrica a una tasa específica. los
14243 14 2 44 4 3 44 Tasa de transferencia neta de
energía
2-21
ÿ
entrada
=
ÿ
&
3 0,543 m/s =ÿ
ÿ
energía.
ÿ 3
3,8 kilovatios
Discusión El principio de conservación de la energía requiere que la energía se conserve a medida que se convierte de una forma a otra, y no permite
que se cree o destruya ninguna energía durante un proceso. En realidad, la tasa de flujo de volumen será menor debido a las pérdidas asociadas con la
conversión de eje eléctrico a mecánico y de eje mecánico a flujo.
/ dt 0 ÿ
Análisis Para un volumen de control que encierra la unidad bomba-motor, el balance de energía se puede escribir como
ÿ
=
ÿ
ÿ
1kJ
ÿ
1kPa·m
Bomba
3,8 kJ/s
&
2-53
se determinará el caudal máximo de volumen de gasolina.
Se determina que el caudal es
=
ÿ
PAGS
BOMBA
V
Suposiciones 1 La bomba de gasolina funciona constantemente. 2 Los cambios en las energías cinética y potencial a través de la bomba son
despreciables.
Motor
&
ya que m& =

por calor, trabajo y masa energías potenciales, etc.
sistema
=
ÿ
&
ÿ
1000 m/s
1kJ/kg
ÿ
= 25,0 kilovatios
ÿ
(2250 kg)(9,81 m/s)(1,6 m/s)sen45
ÿ
=
25,0 kJ/s
(2250 kg)(9,81 m/s)(0,8 m/s)sen45
ÿ =
ÿ
°
ÿ
= sen 45° = (0,8 m/s) sen 45°
ÿ = 12,5 kJ/s
ÿ
ÿ
&
1000 m/s
=
ÿ
ÿ
1kJ/kg
= = 12,5 kilovatios
ÿ
°
ÿ
Vvert V
ÿ
t
ÿ
&
ÿ
ÿ
mg z
t
=
ÿ
=
EDUCACIÓN FÍSICA
W =
2
Ganar mgVvert 2 2
2
2 2
Ganar mgVvert
en mgVvert
E dE dt
14243 Tasa de
cambio en interno, cinético,
= ÿ
en sistema
ÿ
ÿ
Es decir, según los supuestos establecidos, la entrada de energía a la escalera mecánica debe ser igual a la tasa de aumento de la energía potencial de las personas. Sustituyendo, la
entrada de energía requerida se convierte en
=
Cuando la velocidad de la escalera mecánica se duplica a V = 1,6 m/s, la potencia necesaria para impulsar la escalera mecánica se vuelve
/
sistema dE / dt
&
=
ÿ
EE en fuera
14243 0
mi
&
ÿ
&
t
Masa = (30 personas)(75 kg/persona) = 2250 kg
2-22
La componente vertical de la velocidad de la escalera mecánica es
Bajo los supuestos establecidos, la energía suministrada se utiliza para aumentar la energía potencial de las personas. Tomando a las personas en el ascensor como
el sistema cerrado, el balance de energía en forma de tasa se puede escribir como
Análisis En condiciones de diseño, la masa total movida por la escalera mecánica en un momento dado es
2-54 Una escalera mecánica inclinada es para subir un cierto número de personas a una velocidad constante. Se determinará la potencia mínima necesaria para
accionar esta escalera mecánica.
Suposiciones 1 La fricción y el arrastre del aire son despreciables. 2 La masa media de cada persona es de 75 kg. 3 La escalera mecánica funciona de manera
constante, sin aceleración ni frenado. 4 La masa de la escalera mecánica en sí es insignificante.
Discusión Tenga en cuenta que la potencia necesaria para impulsar una escalera mecánica es proporcional a la velocidad de la misma.

2
1 1
3
0,1333 kPa ÿ
83,22 kg/s
=ÿ ÿ
= (3 m )(90/3,6 m/s)
PAG =
0,9012 m3/kg
ÿ ÿ
metro&
1 mm Hg
AV
ÿ
93,31 kPa
(700 mm Hg) ÿ
=
ÿ
=
v
2
3
VV 1
2
2
2
3
3
2 2
2
2
2 2
2
(83,22 kg/s)(0,9012 m /kg) 2 = 3,29 m
ÿ ÿ = 4,42 kW
V (82/3,6) m/s
ÿ
(90 / 3,6 m/s) (82 / 3,6 m/s)
(83,22 kg/s) 2
2 ÿ
=
metro
1000 m/s
=
= ÿÿÿ = =
AV
ÿ
ÿ
A
ÿ
metro
W m&
1kJ/kg
ÿ
v =
RT
PAGS
0,9012 m3/kg
El requerimiento de energía es
Análisis La presión absoluta del aire es
y el volumen específico del aire es
= =
ÿ
2-23
2-55 Se considera un automóvil que se mueve a una velocidad dada. Se determinará la potencia requerida para mover el automóvil y el
área del canal de flujo efectivo detrás del automóvil.
(0.287 kPa·m·kg·K)(293K) 93.31kPa
El caudal másico a través del volumen de control es
El área de salida es
ÿ
v
&
&
&
v

Entrada de energía mecánica
=
Salida de energía eléctrica W
W
=
ÿ
ÿ
motor de bomba bomba
bomba
W
=
| mec, fluido
&
ÿ
| ÿ
W
= =
mi
E
mec, en
&
mi
&
& &
mec, fluido
motor de bomba
elegir, en
bomba
elegir, en
mec, fluido
elegir fuera
generador
motor de bomba
elegir, en
mecánico, en
eje,fuera
turbina
eje,en
motor
generador de turbina
fuera
turbina-gen
elegir fuera elegir fuera
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ &
W
=
Energía mecánica extraída del fluido | ÿ
&
&
son menores que uno, y un número se obtiene
&
&
2-57C La eficiencia combinada bomba-motor de un sistema bomba/motor se define como la relación entre el aumento de la energía mecánica del fluido y el consumo
de energía eléctrica del motor,
mi
=
2-24
mi
&
2-58C La eficiencia de la turbina, la eficiencia del generador y la eficiencia combinada de la turbina y el generador se definen como sigue:
2-59C No, la eficiencia combinada de la bomba y el motor no puede ser mayor que la eficiencia de la bomba o la eficiencia del motor. Esto se debe a que ambos son
más pequeños cuando se multiplican por un número menor que uno.
=
&
=
W
Salida de energía mecánica
&
ÿ
|
&
2-56C La eficiencia mecánica se define como la relación entre la salida de energía mecánica y la entrada de energía mecánica. Una eficiencia mecánica del 100% para una
turbina hidráulica significa que toda la energía mecánica del fluido se convierte en trabajo mecánico (eje).
ÿ
W
W
=
E
mec,fuera
&
La eficiencia combinada de la bomba y el motor no puede ser mayor que la eficiencia de la bomba o del motor, ya que tanto la eficiencia de la bomba como la del motor son
menores que 1, y el producto de dos números que son menores que uno es menor que cualquiera de los números.
moto ,
=
W
mi
&
y
ÿ ÿ ÿ
Eficiencias de conversión de energía
ÿ
ÿ ÿ
=ÿ

=
= 73%
38%
utilizado
motor
motor
entrada, gasolina
Preguntas y respuestas = (Insumo de energía)× (Eficiencia) = (2,4 kW)(0,73)= 1,75 kW
ÿ
ÿ
utilizado
eléctrico
gas
2-61 Se reemplaza un motor estándar desgastado por uno de alta eficiencia. Se debe determinar la reducción en la ganancia de calor interna debido a la mayor
eficiencia en condiciones de carga completa.
W
en, eléctrico, estándar
&
Teniendo en cuenta que la eficiencia de un quemador de gas es del 38 por ciento, la entrada de energía a un
quemador de gas que suministra la energía utilizada a la misma tasa (1,75 kW) es
(75ÿ746 W)/0,954 = 58ÿ648 W
W
de energía útil. El costo unitario de la energía utilizada es inversamente proporcional a la eficiencia y se
determina a partir de
/ eje
&
=
W
en, eléctrico, eficiente
Análisis Se da que la eficiencia del calentador eléctrico es del 73 por ciento. Por lo tanto, un quemador que consume 3 kW de energía eléctrica suministrará
&
&
Entonces la reducción en la generación de calor se convierte en
=
ya que 1 kW = 3412 Btu/h. Por lo tanto, un quemador de gas debe tener una clasificación de al menos 15 700 Btu/h para funcionar tan bien como la unidad
eléctrica. Teniendo en cuenta que 1 termia = 29,3 kWh, el costo unitario de la energía utilizada en el caso del quemador de gas se determina de la misma manera
para ser
2-25
Análisis El calor generado por un motor se debe a su ineficiencia, y la diferencia entre el calor generado por dos
motores que entregan la misma potencia al eje es simplemente la diferencia entre la potencia eléctrica consumida por los
motores,
Supuestos 1 El motor y el equipo accionado por el motor están en la misma habitación. 2 El motor funciona a plena carga, de modo que fload = 1.
2-60 Se consideran un quemador abierto eléctrico de capota y un quemador de gas. Se determinará la cantidad de energía eléctrica utilizada directamente para cocinar
y el costo de la energía por kWh "utilizado".
(75 746 W)/0,91= 61 484 W
W / eje = ×
= ×
= W&
$1,20 /(29,3 kWh)
= $0.108/kWh
= 61 484 - 58 648 = 2836 W
0.38
Eficiencia
Costo de la energía utilizada =
=
Eficiencia
0.73
Costo de entrada de energía
Costo de la energía utilizada =
Costo de entrada de energía
0,10 $/kWh
=
= $0.137/kWh
ÿW&
ÿ
ÿ
en, eléctrico, estándar adentro, eléctrico, eficiente
reducción
&
&
q
0.38
= 4,61 kW (= 15ÿ700 Btu/h)
Eficiencia
=
1,75 kilovatios
q
=

ÿ
ÿ
ÿ ÿ
ÿ
ÿ
ÿ =
&
98,90 90 8,90 CV = 6,64 kW
&
&
= W
en, eléctrico
=
W
=
/ eje
generación q
ÿ
ÿ (90 CV)/0,91 = 98,90 CV
W
en, eléctrico
&
=
W
&
estándar
entrada eléctrica, eficiente
eje
estándar eficiente
estándar
eficiente eficiente
motor
eje fuera
&
(Potencia nominal)(Factor de carga) /
&
(Potencia nominal)(Factor de carga) /
W
entrada eléctrica,estándar
Ahorro de energía
=
ÿ
W
W
=
1/
&
/ eje
=
]
&
(Potencia nominal)(Factor de carga)[1/
&
/
W
entrada eléctrica,estándar
=
=
ÿ
W
=
W
entrada eléctrica, eficiente
&
= 9.290 kWh/año
Costo de implementación
Ahorro de energía = (Ahorro de energía)(Horas de funcionamiento)
Costo de implementación = Costo diferencial = $5520 - $5449 = $71
donde ÿestándar es la eficiencia del motor estándar y ÿeficiente es la eficiencia del motor comparable de alta eficiencia.
2-63 Se va a reemplazar un motor estándar desgastado por uno de alta eficiencia. Se determinará la cantidad de energía eléctrica y el ahorro de dinero
como resultado de la instalación del motor de alta eficiencia en lugar del estándar, así como el período de recuperación simple.
Análisis El calor que genera un motor se debe a su ineficiencia, y es igual a la diferencia entre la energía eléctrica que consume y la potencia al eje
que entrega,
Análisis La potencia eléctrica consumida por cada motor y su diferencia se puede expresar como
Por lo tanto, el motor de alta eficiencia pagará su costo diferencial en aproximadamente un mes.
2-26
= 0.096 año
Ahorro de costes = (Ahorro de energía)(Coste unitario de energía)
= $743/año
ya que 1 hp = 0,746 kW.
Discusión Tenga en cuenta que la energía eléctrica que no se convierte en potencia mecánica se
convierte en calor.
Ahorro de costos anual
= (75 CV)(0,746 kW/CV)(4368 horas/año)(0,75)(1/0,91 - 1/0,954)
Período de recuperación simple =
= (Potencia nominal)(Horas de funcionamiento)(Factor de carga)(1/ÿestándar- 1/ÿeficiente)
Suposiciones El motor funciona a plena carga, por lo que el factor de carga es 1.
=
El costo de implementación de esta medida consiste en el sobrecosto del motor de alta eficiencia sobre el estándar.
Eso es,
Luego se determina que los ahorros anuales de energía y costos asociados con la instalación del motor de alta eficiencia son
Suposiciones El factor de carga del motor permanece constante en 0,75.
Esto da un período de recuperación simple de
= (9.290 kWh/año) ($0,08/kWh)
2-62 Un automóvil eléctrico funciona con un motor eléctrico montado en el compartimiento del motor. Debe determinarse la tasa de suministro de calor
por parte del motor al compartimiento del motor en condiciones de plena carga.
(o 1.1meses) $743/
año
$71
nuevo
antiguo
91,0%
ÿ
ÿ =
= 95,4%

= ÿ
en, nuevo
6
6
afuera
en, nuevo
en, guardado en, corriente
horno, nuevo
6
6
corriente del horno
Qout Qin horno
6
Qout = Qin
Qin, actual 6 5,5 10 Btu/h =
×
Qin, salvado
& &
Ahorro de energía =
Salida caldera = (Entrada caldera)(Eficiencia de combustión)
Caldera
70%
5,5×106
Entonces la tasa de producción de calor útil de la caldera se convierte en
.
Suposiciones La caldera funciona a plena carga durante el funcionamiento.
Luego, los ahorros anuales de energía y costos asociados con la puesta a punto de la caldera se vuelven
Análisis La salida de calor de la caldera está relacionada con la entrada de energía del combustible a la caldera por
La tasa actual de entrada de calor a la caldera se da como
Ahorro de costes = (Ahorro de energía)(Costo unitario de energía) =
(2,89 × 109 Btu/año) ($4,35/106 Btu) = $12 600/año
2-27
Discusión Observe que afinar la caldera ahorrará $12,600 al año, que es una cantidad significativa. El costo de implementación de esta medida es
insignificante si el ajuste puede ser realizado por personal interno. De lo contrario, vale la pena tener un representante autorizado del fabricante de la caldera
para realizar el mantenimiento de la caldera dos veces al año.
2-64E La eficiencia de combustión de un horno se eleva de 0,7 a 0,8 ajustándolo. Se determinará el ahorro anual de energía y costos como resultado de la
puesta a punto de la caldera.
(Horas de operación)
La caldera debe suministrar calor útil al mismo ritmo después de la puesta a punto. Por lo tanto, la tasa de
entrada de calor a la caldera después de la puesta a punto y la tasa de ahorro de energía se vuelven
o
= (0,69×106 Btu/h)(4200 h/año) = 2,89×109 Btu/año
&
&
&
=
q
q
q
=
/ ×
6 6 5,5 10 4,81
10 0,69 10 Btu/h
ÿ
=
q
= × ÿ × = ×
&
(3,85 10 Btu/h)/0,8 4,81 10 Btu/h
×
&
=
q
ÿ
&
&
&
×
=
ÿ = ×
&
(5,5 10 Btu/h)(0,7) 3,85 10 Btu/h
)
(

6x10-6 $/Btu
5x10-6 $/Btu
4x10-6 $/Btu
Q_dot_in_new=Q_dot_out/eta_furnace_new
Q_dot_in_current=5.5E6 [Btu/h]
eta_furnace_current=0.7
eta_furnace_new=0.8 Horas=4200 [h/
año]
Ahorro de energía=Q_dot_in_saved*Horas
Q_dot_in_saved=Q_dot_in_current-Q_dot_in_new
Q_dot_out=Q_dot_in_current*eta_furnace_current
"Dado"
"Análisis"
Ahorro de costos = Ahorro de energía * Costo unitario
CostoUnitario=4.35E-6 [$/Btu]
6x109
5x109
0x100
4x109
0.8
0,68
3x109
0.84
0.72
109
2x109
0.88
0.76 0,92
Los valores de la tabla son para UnitCost = 5E-5 [$/Btu]
0.00E+00
6.42E+08
1.25E+09
1.82E+09
2.37E+09
2.89E+09
3.38E+09
3.85E+09
4.30E+09
4.73E+09
5.13E+09
2-28
s
[$/año]
s
Se reconsidera el problema 2-64E. Se investigan los efectos del costo unitario de la energía y la eficiencia de la combustión sobre
la energía anual utilizada y los ahorros de costos ya que la eficiencia varía de 0.7 a 0.9 y el costo unitario varía de $4 a $6 por millón de Btu. La energía
anual ahorrada y los ahorros en costos deben graficarse frente a la eficiencia para costos unitarios de $4, $5 y $6 por millón de Btu.
ÿhorno, nuevo ahorro de energía
0 3208
[Btu/año]
0,7
0,72
0,74
0,76
0,78
0,8
0,82
0,84
0,86
0,88
0,9
Ahorro de costos
Análisis El problema se resuelve usando EES, y la solución se da a continuación.
9118
11846
14437
16902
19250
21488
23625
25667
6243
ÿhorno,nuevo
2-65E
25000
0
0.88
20000
0,68
10000
0,92
0.72
5000
15000
30000
0.76 0.8 0.84
ÿhorno,nuevo

Suposiciones La tasa promedio de calor disipado por las personas en un gimnasio es de 525 W.
ya que 1 hp = 746 W.
2-67 Una habitación se enfría haciendo circular agua fría a través de un intercambiador de calor, y el aire circula a través del intercambiador de calor
mediante un ventilador. Se debe determinar la contribución del ensamblaje del motor del ventilador a la carga de enfriamiento de la habitación.
Entonces, la tasa total de ganancia de calor de la sala de ejercicios durante el período pico se convierte en
Análisis Las 8 máquinas de levantamiento de pesas no tienen motores y, por lo tanto, no contribuyen directamente a la ganancia de calor interna. Los factores
de uso de los motores de las cintas de correr se toman como la unidad ya que se usan constantemente durante los períodos pico. Observando que 1 hp = 746
W, el calor total generado por los motores es
Suposiciones El motor del ventilador funciona a plena carga, de modo que fload = 1.
2-29
Análisis Toda la energía eléctrica consumida por el motor, incluida la potencia del eje entregada al
ventilador, finalmente se disipa en forma de calor. Por tanto, la contribución del conjunto ventilador-motor
a la carga frigorífica de la estancia es igual a la energía eléctrica que consume,
La ganancia de calor de 14 personas es
2-66 Varias personas están haciendo ejercicio en un gimnasio. Se va a determinar la tasa de ganancia de calor de las personas y el equipo.
ÿ
ÿ
= Preguntas y = 6782 + 7350 = 14 132 W
Preguntas y respuestas + Preguntas y
gente
total motores
= W&
=
&
×W& × f × f (Nº de
motores)
4 (2,5 746 W) 0,70 1,0/0,77 = 6782 W
&
(
=
&
norte
(0,25 CV)/0,54 = 0,463 CV = 345 W
o de la gente )
×
( = 14 × 525 W) = 7350 W
q
=
×
/ eje
= × ×
/
Q personas
= W&
×
q
motor
motor uso
en, eléctrico motor
motores carga
persona
generación interna

W& | ÿE&
1kJ/kg
| ÿE&
ÿ
1000 m/s
e
mech,en
ÿ
ÿ
mi
ÿ
(9,81 m/s) (50 m) ÿ
=
|= (0,800)(2455 kW) =1964 kW ÿ 1960 kW
PAGS
|= m&(emech,in ÿ emech,in ) = (5000 kg/s)(0.491kJ/kg) = 2455 kW
=
= = gh
=
ÿ
ÿ
0,491 kJ/kg
=
ÿ
0,95
= =
0,76
= 0,800
2 2
eje,fuera
2
mec, fluido
mec, fluido
turbina
fuera
2
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
(c) La salida de potencia del eje se determina a partir de la definición de eficiencia mecánica,
| ÿ |
= 1000
Por lo tanto, el lago suministra 2455 kW de energía mecánica a la turbina, que convierte 1964 kW en trabajo de eje que impulsa el generador, que genera
1862 kW de energía eléctrica.
mi
W
(b) Conociendo las eficiencias total y del generador, la eficiencia mecánica de la turbina se determina a partir de
=
Supuestos 1 La elevación del lago y la del sitio de descarga permanece constante.
2 Las pérdidas irreversibles en las tuberías son despreciables.
&
Propiedades La densidad del agua puede tomarse como kg/
m3 . La aceleración gravitatoria es g = 9,81 m/s
Análisis (a) Tomamos el fondo del lago como nivel de referencia por conveniencia.
Entonces, las energías cinética y potencial del agua son cero, y la energía mecánica
del agua consiste solo en energía de presión, que es
= 0,760
Luego, la velocidad a la cual la energía mecánica del fluido suministrado a la turbina y la eficiencia general se vuelven
2-30
=
2455 kilovatios
=
2-68 Un generador de turbina hidráulico debe generar electricidad a partir del agua de un lago. Se determinarán la eficiencia general, la eficiencia de la
turbina y la potencia del eje.
&
.
1862 kilovatios
generador de turbina
turbina-gen
elegir fuera
generador
turbina
turbina-gen
general
mec, fluido
turbina-gen
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ ÿ

2
= E& = m& emech = (43.982 kg/s)(0,0245 kJ/kg) = 1078 kW
W&
m&v
mecánico
máximo
electo
2 2
2 2
e -mec
ÿ
Viento
= 1,25 kg/m3 .
Turbina
eólica
Por tanto, la potencia potencial del viento es su energía cinética, que es V2 /2
por unidad de masa, y
Por lo tanto, esta turbina eólica puede generar 323 kW de potencia real en las condiciones establecidas.
Suposiciones 1 El viento sopla constantemente a una velocidad uniforme
constante. 2 La eficiencia de la turbina eólica es independiente de la
velocidad del viento.
80 metros
7 m/s
2-31
Análisis La energía cinética es la única forma de energía mecánica.
2-69 El viento sopla constantemente a cierta velocidad. Se determinará la energía mecánica del aire por unidad de masa, el potencial de generación
de energía y la generación real de energía eléctrica.
el viento posee, y puede convertirse enteramente en trabajo.
/ 2 para una masa dada
La generación de energía eléctrica real se determina multiplicando el potencial de generación de energía por la eficiencia,
Discusión La generación de energía de una turbina eólica es proporcional al cubo de la velocidad del viento y, por lo tanto, la generación de energía
cambiará fuertemente con las condiciones del viento.
tasa de flujo:
ÿ 1000 m/s
= = =
2
aerogenerador W& max = (0,30)(1078 kW) = 323 kW
ÿ
ÿ
1kJ/kg
que
ÿ
V (7 m/s) ÿ
ÿ =
2
0,0245 kJ/kg
=
(1,25 kg/m )(7 m/s)
ÿ
D
ÿ
= =
4
43.982 kg/s
=
m& VA V =
ÿ ÿ
(80 metros)
4
2 2
3

"Dado"
g=9,81 [m/s^2]
"Análisis"
V=7 [m/seg]
W_dot_elect=eta_overall*W_dot_max
A=pi*D^2/4
m_dot=rho*A*V
W_dot_max=m_dot*V^2/2*Convertir(m^2/s^2, kJ/kg)
D=80 [m]
eta_total=0,30
rho=1,25 [kg/m^3]
[m/s]
16000
8
14000
10
8000
0
4000
20
4
6000
6 dieciséis
2000
18
12000
12
10000
14
generación a medida que la velocidad varía de 5 m/s a 20 m/s en incrementos de 5 m/s, y el diámetro varía de 20 m a 120 m
2-32
en incrementos de 20 m debe ser investigado.
Se reconsidera el problema 2-69. El efecto de la velocidad del viento y el diámetro de la envergadura de la pala en la energía eólica
fondo=60m
profundidad=100m
profundidad=40m
fondo=120m
profundidad=20 metros
fondo=80m
2-70

ÿ
&
) = ÿ
ÿ
e
mech,en
&
metro
(
ÿ
yo
mech, fuera
=
ÿ
E
mec, fluido
PAGS
=
PÁGINAS
& &
V
ÿ
Bomba
tanque
Almacenamiento
2 1
ÿ
=
20,4 kilovatios
13,7 kilovatios
mi
= 0,672 o 67,2%
W
=
ÿ
motor de bomba
2 2
elegir, en
mec, fluido
2
1
Resolviendo para ÿP y sustituyendo,
&
ÿ
&
ÿ
ÿ =
Por lo tanto, la bomba debe aumentar la presión del agua en 196 kPa para elevar su elevación en 20 m.
Suposiciones 1 Las elevaciones del tanque y del lago permanecen constantes. 2 Las pérdidas por fricción en las tuberías son despreciables. 3 Los cambios en la energía cinética son
despreciables. 4 La diferencia de elevación a través de la bomba es insignificante.
20 metros
0,196 kJ/kg ÿ
= 1000kg/m3 .
1kJ/kg
Además, la energía cinética en ambos puntos es cero (ke1 = ke2 = 0) ya que el agua en ambos lugares es
esencialmente estacionaria. El caudal másico de agua y su energía potencial en el punto 2 son
2 2 ÿ
Discusión Nótese que sólo dos tercios de la energía eléctrica consumida por el motor-bomba se convierte en energía mecánica del agua; el tercio restante se desperdicia debido a
las ineficiencias de la bomba y el motor.
2-33
(b) Ahora consideremos la bomba. El cambio en la energía mecánica del agua cuando fluye a través de la bomba consiste en el cambio en la energía del flujo solo porque la diferencia
de elevación a través de la bomba y el cambio en la energía cinética son despreciables. Además, este cambio debe ser igual a la energía mecánica útil suministrada por la bomba, que
es de 13,7 kW:
1000 m/s
La eficiencia global de la unidad combinada bomba-motor se determina a partir de su definición,
2-71 Se bombea agua de un lago a un tanque de almacenamiento a una velocidad especificada. Se determinará la eficiencia global de la unidad bomba-motor y la diferencia de
presión entre la entrada y la salida de la bomba.
2
ÿ
Entonces la tasa de aumento de la energía mecánica del agua se vuelve
Análisis (a) Tomamos la superficie libre del lago como el punto 1 y las superficies libres del tanque de
almacenamiento como el punto 2. También tomamos la superficie del lago como el nivel de referencia
(z1 = 0), y por lo tanto la energía potencial en los puntos 1 y 2 son pe1 = 0 y pe2 = gz2. La energía de
flujo en ambos puntos es cero ya que tanto 1 como 2 están abiertos a la atmósfera (P1 = P2 = Patm).
(9,81 m/s)(20 m) pe = gz =
ÿE&
= m&(emech,out ÿ emech,in ) = m&( pe2 ÿ 0) = m& pe2 = (70 kg/s)(0,196 kJ/kg) = 13,7 kW
mec, fluido
=
V
ÿ =
&
metro&
(1000 kg/m )(0,070 m /s) 70 kg/s
=
ÿ
ÿ
= 196 kPa ÿ
1 kPa·m
ÿ
13,7 kJ/s
ÿ
1kJ
PAGS
ÿ =
ÿ
ÿ
ÿ 3
V
MI&
ÿ
=
0,070 m/s
ÿ
&
3
3
3
mec, fluido

ÿ
ÿ
BOMBA
máximo
electo
mecánico
aerogenerador W& máx = (0,32)(2513 kW) = 804,2 kW
Discusión La eficiencia general de esta bomba será inferior al 83,8% debido a la ineficiencia del motor eléctrico
que impulsa la bomba.
ÿ
=
W&
Bomba
5.404 psi pies
ÿP = 1,2 psi
=
=
1Btu
ya que 1 hp = 0.7068 Btu/s, m& =
eficiencia mecánica de la bomba se vuelve
PÁGINAS
[( m P
=
6 caballos de fuerza
ÿ
ÿ v
mi
) (15 pies/s)(1,2 psi)
=
) ]
Turbina
eólica
ÿ
=
4,71 CV
( mPP
ÿ
(
&
Viento
ÿ
&
v
(
V
ÿ
PAGS
ÿ
)
e mech,en
=
ÿ
ÿ =
v
ÿ
ÿ
W
3,33 Btu/s 4,71 CV
&
(
ÿ
0.786 o 78.6%
100 metros
=
ÿ
entrada
&
&
&
y no hay cambio en las energías cinética y potencial del fluido. Entonces el
yo
mech, fuera
ÿ
)
ÿ
6 caballos de fuerza
E
mec, fluido
,
)
&
8 m/s
=
=
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
Discusión Tenga en cuenta que una sola turbina eólica puede generar varios miles de dólares en electricidad todos los días a un
costo razonable, lo que explica la abrumadora popularidad de las turbinas eólicas en los últimos años.
/ 2 para
= 1,25 kg/m3 .
Suposiciones 1 El viento sopla constantemente a una velocidad
uniforme constante. 2 La eficiencia de la turbina eólica es
independiente de la velocidad del viento.
Análisis Para determinar la eficiencia mecánica de la bomba, necesitamos conocer el aumento
en la energía mecánica del fluido a medida que fluye a través de la bomba, que es
Análisis La energía cinética es la única forma de energía
mecánica que posee el viento y se puede convertir completamente
en trabajo. Por lo tanto, el potencial de potencia del viento es su
energía cinética, que es V2 /2 por unidad de masa, y un caudal
másico dado:
2-73E Una bomba de agua eleva la presión del agua en una cantidad específica a un caudal específico mientras consume una cantidad
conocida de energía eléctrica. Se va a determinar la eficiencia mecánica de la bomba.
2-34
Suposiciones 1 La bomba funciona constantemente. 2 Los cambios de velocidad y elevación
a través de la bomba son insignificantes. 3 El agua es incompresible.
2-72 Se instala una gran turbina eólica en un lugar donde el viento sopla constantemente a cierta velocidad. Se determinará la
generación de energía eléctrica, la producción diaria de electricidad y el valor monetario de esta electricidad.
Cantidad de electricidad = (Energía eólica)(Horas de funcionamiento)=(804,2 kW)(24 h) =19.300 kWh
Ingresos = (Cantidad de electricidad)(Precio unitario) = (19,300 kWh) ($0.06/kWh) = $1158 (por día)
Entonces la cantidad de electricidad generada por día y su valor monetario se vuelven
La generación de energía eléctrica real se determina a partir de
= m& emech = (78.540 kg/s)(0,032 kJ/kg) = 2513 kW
= E&
W&
2
2 2
2
2
3
2 2
e -mec
bomba
2 1
1
2 1
3
mec, fluido
2
eje de la bomba
3
4
(1,25 kg/m )(8 m/s) 78.540 kg/s
(8 m/s)
D
=
2
ÿ
ÿ =
=
0,032 kJ/kg
ÿ
2
V
m&v
ÿ
=
1000 m/s
= = =
(100 metros)
4
=
1kJ/kg
m& VA V
ÿ
ÿ
que
&
/ v
V
ÿ =
&
V

ÿ ÿE&
= W& = 20 ÿ13,2 kW = 6,8 kW
W&
ÿ
ÿ
( gzz
= 49 500 kg/s
&
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
=
ÿ ÿÿÿ =
1000 m/s
1kJ/kg
&
W mg zz
(9,8 m/s) (206 0) m
&
ÿ
)
ÿ
&
W
)
= 100.000 kJ/s
(
ÿ
1 kilovatio
&
ÿ
13,2 kilovatios
ÿ
&
ÿ
ÿ =
ÿ
gÿz
ÿ
1N
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
&
ÿ ÿ
ÿE = mÿe = mÿpe = mgÿz =
1 kg m/s
1000 N·m/s
=
&
ÿ
ÿ
&
(1000 kg/m )(0,03 m/s)(9,81 m/s)(45 m) ÿ
Vÿ
2-75 Se va a determinar la tasa de flujo másico de agua a través de las turbinas hidráulicas de una presa.
Entonces, la potencia mecánica perdida debido a los efectos de fricción se convierte en
Reservorio
= 1000kg/m3 .
Análisis El caudal másico se determina a partir de
Suposiciones 1 La bomba funciona constantemente. 2 Las elevaciones de los
embalses permanecen constantes. 3 Los cambios en la energía cinética son
despreciables.
Discusión Los 6,8 kW de potencia se utilizan para superar la fricción en el sistema de tuberías. El efecto de las pérdidas por fricción en una bomba es
siempre convertir la energía mecánica en una cantidad equivalente de energía térmica, lo que da como resultado un ligero aumento en la temperatura
del fluido. Tenga en cuenta que este proceso de bombeo podría lograrse con una bomba de 13,2 kW (en lugar de 20 kW) si no hubiera pérdidas por
fricción en el sistema. En este caso ideal, la bomba funcionaría como una turbina cuando se permite que el agua fluya desde el depósito superior al depósito
inferior y extraiga 13,2 kW de potencia del agua.
1
2
Reservorio
45 metros
2-35
Análisis La elevación del agua y por lo tanto su energía potencial cambia durante el
bombeo, pero no experimenta cambios en su velocidad y presión. Por lo tanto, el
cambio en la energía mecánica total del agua es igual al cambio en su energía
potencial, que es gz por unidad de masa y m& gz para un caudal másico dado. Eso es,
2-74 Se bombea agua desde un depósito inferior a un depósito superior a una velocidad especificada. Para una entrada de potencia de eje especificada,
se debe determinar la potencia que se convierte en energía térmica.
Bomba
Propiedades Consideramos que la densidad del agua es ÿ
metro 2 1
mecánico
mecánico
2
2 2
2
2 1
3
2
3
mecánico
bomba, en
fricción

Análisis Entonces, la energía mecánica total de un fluido es la suma de las energías potencial, de flujo y cinética, y se expresa por
unidad de masa como emech = gh + Pv +V
bomba, tu
2
mec, fluido
3
2
3
2
2
motorW& eléctrico = (0,90)(35 kW) = 31,5 kW
eje de la bomba
= =
=
(0,12 metros) / 4
=
8,84 m/s
19,9 m/s
/ 4
0,1 m/s
(0,08m) / 4
= =
/ 4
= =
D
0,1 m/s
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
W&
ÿ
ÿ
ÿ
26,3 kilovatios
ÿ
ÿ
1 kN
1 kN·m/s
=
ÿ
ÿ
1000 kg m/s
= ÿE&
ÿ
ÿ
(0,1 m /s) 400 kN/m (860 kg/m ) ÿ
ÿ
1 kilovatio
2 +
(8,84 m/s) (19,9 m/s) ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
=
2
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
31,5 kilovatios
W
= 0,836 = 83,6%
&
26,3 kilovatios
ÿ
W
=
=
&
v
/
V
ÿ
ya que m& = V
&
=
&
&
ÿ
Entonces la potencia del eje y la eficiencia mecánica de la bomba se vuelven
=
ÿ
+ ÿ 2
vv
&
ÿ
2-76 Una bomba está bombeando aceite a una tasa específica. Se mide el aumento de presión del aceite en la bomba y se especifica la eficiencia del
motor. Se va a determinar la eficiencia mecánica de la bomba.
Bomba
ÿ
ÿ
Propiedades Se da que la densidad del aceite es ÿ = 860 kg/m3 .
V
E
mec, fluido
ÿ
)
e mech,en
= ÿ
ÿ
/ 2 . Para determinar la eficiencia mecánica de la bomba, necesitamos conocer la
V
&
(
2-36
ÿ
=
Suposiciones 1 El flujo es constante e incompresible. 2 La diferencia de elevación a través de la bomba es insignificante.
ÿ + ÿ
entrada
yo
mech, fuera
y no hay cambio en el potencial
ÿ
Sustituyendo, se determina que la potencia útil de bombeo es
ÿ
m Pv ( ) ( )
,
ÿ
ÿ
2
ÿ
V
2
&
PÁGINAS )
ÿ
2
aumento en la energía mecánica del fluido a medida que fluye a través de la bomba, que es
1
Discusión La eficiencia general de esta unidad de bomba/motor es el producto de las eficiencias mecánica y del motor, que es 0,9 × 0,836 = 0,75.
(
energía del fluido. También,
p.v.
2
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
35 kilovatios
BOMBA
&
&
V V
ÿ ÿ
ÿ
&
&
ÿ
V
V
Motor
2
2
D 2
2
2
2
1
3
2
2
2 1
un
1
1
2
V 1
3
2
1
1
2
V 2
un
2
W& =
bomba, tu
eje de la bomba
bomba
ÿ
ÿ

Vÿ
mecánico
bomba, tu
fricción
ÿ
ÿ ÿ =
ÿ
ÿ
13,63 CV ÿ
ÿ
1 libra ÿ
1hp
ÿ
ÿ
32,2 lbm pie/s 550 libras pie/s
&
ÿ ÿ
ÿE = (62,4 lbm/ft)(1,5 ft/s)(32,2 ft/s)(80 ft) mec 2
ÿ
ÿ
ÿ
2
= 62,4 lbm/ft3 .
Suposiciones 1 El flujo es constante e incompresible. 2 La diferencia de altura entre el lago y la superficie libre de la piscina es constante. 3 La
velocidad de flujo promedio es constante ya que el diámetro de la tubería es constante.
Luego, la potencia mecánica perdida en la tubería debido a los efectos de fricción se convierte en
Análisis La potencia útil de bombeo mecánico entregada al agua es
Discusión Tenga en cuenta que la bomba debe suministrar al agua una potencia mecánica útil adicional de 2,37 hp para superar las pérdidas por
fricción en las tuberías.
2-77E Se bombea agua de un lago a una piscina cercana mediante una bomba con potencia y eficiencia especificadas. Se determinará la
potencia mecánica utilizada para superar los efectos de fricción.
La elevación del agua y, por lo tanto, su energía potencial cambia durante el
bombeo, pero no experimenta cambios en su velocidad y presión. Por lo tanto, el
cambio en la energía mecánica total del agua es igual al cambio en su energía
potencial, que es gz por unidad de masa y m& gz para un caudal másico dado. Eso
es,
Sustituyendo, la tasa de cambio de la energía mecánica del agua se convierte en
2-37
1
ÿ
mecánico
mecánico
80 pies
Piscina
Bomba
Lago
&
& &
&
ÿE = mÿe = mÿpe = mgÿz = gÿz
&
3 2
3
Wbomba,u = bombaWbomba = (0,80)(20 hp) 16 hp
W&
&
ÿ ÿE&
&
=
=16 ÿ13,63 caballos de fuerza = 2,37 caballos de fuerza
=W&

metro
= 5,23 m/s
V
(1,31 kg/m )(6140m )
&
A
= = 42.000 kg/s
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
V
1 1 KE =
m& = (42.000 kg/
s)(5,23 m/s) 574,3 kW
W& 180 kilovatios
= =
=
&
574,3 kilovatios
KE&
2 2
2
2
2
3
2
=
(b) La energía cinética del aire que fluye a través de la turbina es
Análisis (a) El diámetro de la pala y el área de la envergadura de la pala son
Entonces la eficiencia de conversión de la turbina se convierte en
6140 metros
4
Suposiciones La turbina eólica opera de manera constante.
Propiedades Se da que la densidad del aire es de 1,31 kg/m3 .
Entonces la velocidad promedio del aire a través de la turbina eólica se convierte en
Discusión Tenga en cuenta que aproximadamente un tercio de la energía cinética del viento se convierte en potencia mediante la turbina eólica, lo cual es
típico de las turbinas reales.
2-38
= (88,42 m) =
2-78 Una turbina eólica produce 180 kW de potencia. Se van a determinar la velocidad promedio del aire y la eficiencia de conversión de la turbina.
D
A
4
ÿ ÿ
ÿ
ÿ
60 segundos
ÿ
88,42 metros
3,6 km/h
= =
norte ÿ
ÿ
(250 km/h)
=
1 minuto
ÿ
D &
ÿ
ÿ
ÿ
1 m/s
(15 L/min)
ÿ
V
2
2
ÿ
ÿ
= 0,313 = 31,3%
propina

2-79C La conversión de energía contamina el suelo, el agua y el aire, y la contaminación ambiental es una seria amenaza para la vegetación, la vida
silvestre y la salud humana. Las emisiones emitidas durante la combustión de combustibles fósiles son responsables del smog, la lluvia ácida, el
calentamiento global y el cambio climático. Los principales productos químicos que contaminan el aire son los hidrocarburos (HC, también conocidos como
compuestos orgánicos volátiles, COV), los óxidos de nitrógeno (NOx) y el monóxido de carbono (CO). La principal fuente de estos contaminantes son los
vehículos de motor.
Como resultado de la lluvia ácida, muchos lagos y ríos en áreas industriales se han vuelto demasiado ácidos para que crezcan los peces. Los
bosques en esas áreas también experimentan una muerte lenta debido a la absorción de ácidos a través de sus hojas, agujas y raíces. Incluso las
estructuras de mármol se deterioran debido a la lluvia ácida.
consumir menos energía (por ejemplo, comprando automóviles y electrodomésticos de bajo consumo) y plantar árboles.
2-83C El dióxido de carbono (CO2), el vapor de agua y pequeñas cantidades de otros gases como el metano y los óxidos de nitrógeno actúan como una
manta y mantienen la tierra caliente durante la noche bloqueando el calor que irradia la tierra. Esto se conoce como el efecto invernadero. El efecto
invernadero hace posible la vida en la tierra al mantener la tierra caliente. Pero cantidades excesivas de estos gases perturban el delicado equilibrio al atrapar
demasiada energía, lo que hace que aumente la temperatura promedio de la tierra y que cambie el clima en algunas localidades. Estas consecuencias
indeseables del efecto invernadero se denominan calentamiento global o cambio climático global. El efecto invernadero se puede reducir reduciendo la
producción neta de CO2 en
2-81C Los combustibles fósiles incluyen pequeñas cantidades de azufre. El azufre del combustible reacciona con el oxígeno para formar dióxido de azufre
(SO2), que es un contaminante del aire. Los óxidos de azufre y los óxidos nítricos reaccionan con el vapor de agua y otras sustancias químicas en la
atmósfera en presencia de la luz solar para formar ácidos sulfúrico y nítrico. Los ácidos formados generalmente se disuelven en las gotas de agua suspendidas
en las nubes o la niebla. Estas gotitas cargadas de ácido son arrastradas del aire al suelo por la lluvia o la nieve. Esto se conoce como lluvia ácida. Se llama
“lluvia” ya que desciende con gotas de lluvia.
2-39
ya los fetos debido a las necesidades de oxígeno del cerebro en desarrollo. En niveles altos, puede ser fatal, como lo demuestran numerosas
muertes causadas por autos que se calientan en garajes cerrados o por fugas de gases de escape en los autos.
2-80C Smog es la neblina marrón que se acumula en una gran masa de aire estancada y se cierne sobre las áreas pobladas en los días calurosos y
tranquilos del verano. El smog se compone principalmente de ozono troposférico (O3), pero también contiene muchos otros productos químicos, como
monóxido de carbono (CO), partículas como hollín y polvo, compuestos orgánicos volátiles (COV) como benceno, butano y otros hidrocarburos. El
ozono troposférico se forma cuando los hidrocarburos y los óxidos de nitrógeno reaccionan en presencia de la luz solar en días cálidos y tranquilos. El
ozono irrita los ojos y daña los alvéolos de los pulmones, donde se intercambian el oxígeno y el dióxido de carbono, lo que finalmente provoca el
endurecimiento de este tejido blando y esponjoso. También causa dificultad para respirar, sibilancias, fatiga, dolores de cabeza, náuseas y agrava problemas
respiratorios como el asma.
2-82C Monóxido de carbono, que es un gas venenoso, incoloro e inodoro que impide que los órganos del cuerpo reciban suficiente oxígeno al unirse a los
glóbulos rojos que, de otro modo, transportarían oxígeno. En niveles bajos, el monóxido de carbono disminuye la cantidad de oxígeno suministrado al cerebro
y otros órganos y músculos, ralentiza las reacciones y los reflejos del cuerpo y afecta el juicio. Representa una seria amenaza para las personas con
enfermedades del corazón debido a la frágil condición del sistema circulatorio.
Energía y Medio Ambiente

231.000 ton CO/año
=
1,23 10 CO kg/año
=
=
=
= (300.000 hogares)(700 kWh/año hogar)(0,59 kg/kWh)
=
Cantidad de CO producido (Cantidad de electricidad consumida)(Cantidad de CO por kWh)
=
(300.000 hogares)(700 kWh/hogar)(1,1 kg/kWh)
×
= 2,31 10 CO kg/año
123.000 ton CO/año
×
Gasolina Extra = (Extra por año)(Nº de años)
Supuestos La ciudad usa electricidad producida por una planta de energía de gas natural.
2-86 Una central eléctrica que quema carbón produce 1,1 kg de dióxido de carbono (CO2) por kWh. Se va a determinar la cantidad de producción de CO2 que
se debe a los refrigeradores de una ciudad.
= (940 – 715 gal/año)(5 años)
Propiedades Se produce 0,59 kg de CO2 por kWh de electricidad generada (dada).
Supuestos La ciudad utiliza electricidad producida por una central eléctrica de carbón.
Por tanto, los frigoríficos de esta ciudad son responsables de la producción de 231.000 toneladas de CO2.
Suposiciones Se supone que el Explorer usa 940 galones de gasolina al año en comparación con los 715 galones del Taurus.
2-85 Una central eléctrica que quema gas natural produce 0,59 kg de dióxido de carbono (CO2) por kWh. La cantidad de CO2
Análisis La cantidad extra de gasolina que usará el Explorer dentro de 5 años es
se va a determinar la producción que se debe a los refrigeradores en una ciudad.
= (1125 gal)(19,7 lbm/gal)
Por tanto, los frigoríficos de esta ciudad son responsables de la producción de 123.000 toneladas de CO2.
2-40
= 22,163 lbm CO2
2-84E Una persona cambia su Ford Taurus por un Ford Explorer. Se determinará la cantidad adicional de CO2 emitida por el Explorer en un plazo de 5 años.
Discusión Tenga en cuenta que el automóvil que elegimos conducir tiene un efecto significativo en la cantidad de gases de efecto invernadero producidos.
= 1125 galones
Análisis Teniendo en cuenta que hay 300.000 hogares en la ciudad y cada hogar consume 700 kWh de electricidad para refrigeración, la cantidad total de
CO2 producido es
Propiedades Se produce 1,1 kg de CO2 por kWh de electricidad generada (dada).
CO2 extra producido = (Galones extra de gasolina utilizados)(Emisión de CO2 por galón)
Análisis Teniendo en cuenta que hay 300.000 hogares en la ciudad y cada hogar consume
700 kWh de electricidad para refrigeración, la cantidad total de CO2 producido es
2
2
2
2
8
2
8
2
2
2

X
X
X
X
X
=
= (0,15)(56.540 CO kg/año)
=
Reducción de CO producido (0,15)(Cantidad actual de producción de CO)
8481 CO lbm/año
Discusión Cualquier medida que ahorre energía también reducirá la cantidad de contaminación emitida a la atmósfera.
2
Análisis Teniendo en cuenta que este hogar tiene 2 automóviles,
consume 1200 termias de gas natural y 9000 kWh de electricidad al año,
la cantidad de producción de NOx de la que es responsable este hogar es
uso en un 20%. Está por determinarse la reducción en la producción de CO2 de la que es responsable este hogar.
Por lo tanto, cualquier medida que ahorre energía también reduce la cantidad de contaminación emitida al medio ambiente.
2-88 Un hogar tiene 2 automóviles, un horno de gas natural para calefacción y usa electricidad para otras necesidades energéticas. Se
determinará la cantidad anual de emisión de NOx a la atmósfera de la que es responsable este hogar.
Propiedades La cantidad de CO2 producido es de 1,54 lbm por kWh y 26,4 lbm por galón de fuel oil (dado).
2-41
Análisis Teniendo en cuenta que este hogar consume 11 000 kWh de electricidad y 1500 galones de fuel oil al año, la cantidad de producción
de CO2 de la que es responsable este hogar es
Propiedades La cantidad de NOx producida es de 7,1 g por kWh, 4,3 g
por termia de gas natural y 11 kg por automóvil (dado).
Luego, reducir el uso de electricidad y fuel oil en un 15 % reducirá la cantidad anual de producción
de CO2 de este hogar en
2-87E Un hogar usa fuel oil para calefacción y electricidad para otras necesidades energéticas. Ahora el hogar reduce su energía
=
+
56.540 CO lbm/año
(11 000 kWh/año)(1,54 lbm/kWh) (1500 gal/año)(26,4 lbm/gal)
=
+ (Cantidad de fuel oil consumido)(Cantidad de CO por galón)
=
91,06 NO kg/año
(Cantidad de electricidad consumida)(Cantidad de NO por kWh)
+
Cantidad de NO producido (N° de autos)(Cantidad de NO producido por auto)
(Cantidad de gas consumido)(Cantidad de NO por galón)
+
=
=
(2 coches)(11 kg/coche) (9000 kWh/año)(0,0071 kg/kWh)
+
+
(1200 termias/año)(0,0043 kg/termia)
=
2
2
2
2
2
2
2

ÿ (20 5) C
(0,69 W/m C)(5 6 m ) = 1035 W
0,3 m
ÿ
T
ÿ°
&
×
Q kA =
L
=
°
Propiedades La conductividad térmica de la pared es k = 0,69 W/mÿ°C.
2-91C No. Es puramente por radiación.
2-92C En la convección forzada, el fluido se ve obligado a moverse por medios externos, como un ventilador, una bomba o el viento. El movimiento del
fluido en la convección natural se debe únicamente a los efectos de la flotabilidad.
Análisis En condiciones estacionarias, la tasa de transferencia de calor a través de la pared es
2-89C Los tres mecanismos de transferencia de calor son conducción, convección y radiación.
2-95 Las superficies interior y exterior de una pared de ladrillos se mantienen a temperaturas especificadas. Se va a determinar la tasa de transferencia de calor
a través de la pared.
El diamante 2-90C tiene una conductividad térmica más alta que la plata y, por lo tanto, el diamante es un mejor conductor del calor.
Suposiciones 1 Existen condiciones de funcionamiento estables ya que las
temperaturas de la superficie de la pared permanecen constantes en los valores especificados.
2 Las propiedades térmicas de la pared son constantes.
la temperatura.
2-42
2-94C La emisividad es la relación entre la radiación emitida por una superficie y la radiación emitida por un cuerpo negro al mismo tiempo.
la temperatura. La absorbencia es la fracción de radiación incidente sobre una superficie que es absorbida por la superficie. La ley de radiación de Kirchhoff
establece que la emisividad y la absortividad de una superficie son iguales a la misma temperatura y longitud de onda.
Tema Especial: Mecanismos de Transferencia de Calor
2-93C Un cuerpo negro es un cuerpo idealizado que emite la máxima cantidad de radiación a una temperatura dada, y que
absorbe toda la radiación que incide sobre él. Los cuerpos reales emiten y absorben menos radiación que un cuerpo negro al mismo tiempo.
2
cond

ÿ° 5616 W
=
ÿ
× =
L
=
T
kA
ÿ
°
(15 6) C
(0,78 W/m C)(2 2 m ) 0,005 m
Propiedades La conductividad térmica del vidrio es k = 0,78 W/mÿ°C.
0,5cm
Entonces, la cantidad de calor transferido durante un período de 10 h se convierte en
Suposiciones 1 Existen condiciones de funcionamiento estables ya que las temperaturas de la superficie del vidrio permanecen constantes en los valores
especificados. 2 Las propiedades térmicas del vidrio son constantes.
Si el espesor del vidrio se duplica a 1 cm, entonces la cantidad de calor transferido se reducirá a la mitad
a 101 100 kJ.
la conducción es
15°C
2-96 Las superficies interior y exterior del vidrio de una ventana se mantienen a temperaturas especificadas. Se va a determinar la cantidad de
calor transferido a través del vidrio en 5 h.
Análisis En condiciones estacionarias, la tasa de transferencia de calor a través del vidrio por
Vidrio
2-43
6ºC
2
cond
Q = Qcondÿt = (5,616 kJ/s)(10× 3600s) = 202 200 kJ
&

A=L*W
Q_dot_loss=A*k*(T_in-T_out)/(espesor*convertir(cm,m))
FINAL
T_out=6 [C]
k=0,78 [W/mC]
t=10 [hr]
espesor=0,5 [cm]
Si material$='Vidrio' entonces kbuscar:=0.78
Si material$='Ladrillo' entonces kbuscar:=0.72
Si material$='Fibra de vidrio' entonces kbuscar:=0.043
Si material$='Aire' entonces kbuscar:=0.026 Si
material$='Madera(roble)' luego klookup:=0.17
T_in=15 [C]
W=2 [m]
material$='Vidrio'
FUNCIÓN klookup(material$)
Q_loss_total=Q_dot_loss*t*convert(hr,s)*convert(J,kJ)
L=2 [m]
espesor [cm]
1.8 2
0.2
600000
0.4 1.4
500000
100000
1.6
400000
0
1
200000
1.2
300000
0.6 0.8
1
84240
72206
63180
56160
50544
s [cm]
1,2
1,4
1,6
1,8
2
espesor y discuta los resultados.
Espesores
[kJ
505440
252720
168480
126360
Reconsidere el problema 2-96. Con el software EES (u otro), investigue el efecto del grosor del vidrio en la pérdida de calor para las temperaturas
de la superficie del vidrio especificadas. Deje que el espesor del vidrio varíe de 0,2 cm a 2 cm. Trazar la pérdida de calor contra el vidrio
101088
2-44
0,2
0,4
0,6
0,8
Qpérdida,total
2-97

2 2
o
o
2
cond
2 1
0,01 metros
(18 6) C
(0,026 W/m C)(2 2 m )
q
un =
=
500 W (237 W/m²)(0,0314 m²)
ÿ
0,004 metros
T 105C
ÿ
Aire
T2 = 105,3°C
2-99 Los vidrios interior y exterior de una ventana de doble panel con un espacio de aire de 1 cm están a temperaturas especificadas. Se va a determinar
la tasa de transferencia de calor a través de la ventana.
Análisis El área de la superficie de transferencia de calor es
Propiedades La conductividad térmica del aire a temperatura ambiente es k = 0.026 W/m.°C
(Tabla 2-3).
Análisis En condiciones estacionarias, la tasa de transferencia de calor a través de la ventana por
conducción es
Suposiciones 1 Existen condiciones de funcionamiento estables ya que las temperaturas de la
superficie del vidrio permanecen constantes en los valores especificados. 2 La transferencia de calor
a través de la ventana es unidimensional. 3 Las propiedades térmicas del aire son constantes. 4 El
aire atrapado entre los dos vidrios está quieto y, por lo tanto, la transferencia de calor es por
·
Suposiciones 1 Existen condiciones de funcionamiento estables ya que las temperaturas de la superficie de la sartén permanecen constantes en los valores
especificados. 2 Las propiedades térmicas de la bandeja de aluminio son constantes.
105°C
lo que da
Propiedades La conductividad térmica del aluminio es k = 237 W/mÿ°C.
2-45
(0,1 m)² = 0,0314 m²
18°C 6ºC
2-98 El calor se transfiere constantemente al agua hirviendo en la cacerola a través de su fondo. Se da la temperatura de la superficie interior del
fondo de la cacerola. Se va a determinar la temperatura de la superficie exterior.
En condiciones estacionarias, la tasa de transferencia de calor a través del fondo de la cacerola por
conducción es
r² =
500 W 0,4 cm
conducción solamente.
sustituyendo,
1cm
ÿ
ÿ
o
o
ÿ
L
T
= A =
ÿ
&
= 125 W = 0,125 kW
ÿ
&
ÿ
ÿ TT
L
=
kA
=
Q k
T
kA
q
L
×

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