Termo - Ejercicios y Problemas - Rev 2020 - Alma Montana

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL 
FACULTAD REGIONAL ROSARIO 
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA 
 
 
 
 
 
 
TERMODINÁMICA 
 
 
Ejercicios y Problemas 
 
 
Revisión 2020 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Basada en la guía generada por la Ing. Marcela Kaminsky 
 
Termodinámica 
Ejercitación - Rev. 2020 
1 | UTN 
Enunciado del problema
Interprete cuidadosamente el planteo y el 
objetivo de la problemática a resolver 
Definición del sistema
Identifique las características de sistema en 
estudio y represéntelo gráficamente 
Frontera  Sistema vs Medio 
Tipo de Sistema 
Intercambios de Materia y Energía 
Estados Termodinámicos 
Diagrama de Flujo 
Diagrama Termodinámico 
Ambos con estados numerados 
Hipótesis de trabajo
Enuncie las suposiciones y aproximaciones 
razonables que utilizará 
Modelo del sistema
Aplique las leyes físicas (i.e. termodinámicas) 
que representen la evolución de sistema 
Ecuaciones 
Datos 
Variables Conocidas vs Incógnitas 
Propiedades físico-químicas 
Procedimiento de cálculo 
Resolución numérica (con atención a las 
dimensiones y las unidades) 
Análisis de Resultados
Razone si los resultados tienen sentido 
lógico/ físico y analice sus implicaciones 
Conclusiones 
Recomendaciones de mejora 
Limitaciones para su aplicación 
Termodinámica 
Ejercitación - Rev. 2020 
 
UTN | 2 
UNIDAD TEMÁTICA 1 - Conceptos Fundamentales 
UNIDAD TEMÁTICA 2 - Propiedades Termodinámicas 
UNIDAD TEMÁTICA 3 - Diagramas Termodinámicos 
 
Ejercicios de Clase 
 
Ejercicio E1 
Un recipiente rígido fue diseñado para soportar una presión máxima de 4 atmósferas relativas, por lo cual 
posee una válvula de seguridad que abre a esa presión. El volumen es de 1 m3 y contiene 2,4 kg de nitrógeno 
a 20 ºC. Se suministra calor al interior hasta que abre la válvula. Calcule: 
a) La presión relativa inicial del recipiente (atm). 
b) La temperatura final cuando abre la válvula (ºC). 
 
 
Ejercicio E2 
Un recipiente rígido de 1 m3 de capacidad contiene CO2 a una presión relativa de 1,5 kgf/cm2 y 60 ºC. A través de una 
cañería se hace ingresar n moles de CO2 hasta que la presión relativa se estabiliza en 4 kgf/cm2 y la temperatura en 280 
ºF. Calcule la cantidad de CO2 que ingresó en moles y en gramos. 
 
 
Ejercicio E3 
Un recipiente contiene 2 litros de oxígeno gaseoso a 300 K y 1 atm. En un determinado momento se abre la válvula de 
drenaje y se calienta hasta 400 K. Calcule: 
a) La masa de gas drenada. 
b) La presión final, si a continuación se cierra la válvula y se deja enfriar hasta la temperatura inicial. 
 
 
Ejercicio E4 
Un recipiente rígido de 1 m3 de capacidad contiene 16 kg de etileno a 25ºC y se calienta hasta que la temperatura alcanza 
los 60 ºC. Calcule: 
a) La presión inicial y final mediante la ecuación de Van der Waals. 
b) Comparar con la ecuación de gases ideales y con el diagrama entálpico. 
c) El calor específico del gas, corregido por P y T. 
d) La presión final usando la ecuación de Redlich-Kwong. 
 
 
Ejercicio E5 
Se comprime un caudal unitario de propano desde 50 psia y 180 ºF hasta 300 psia de forma adiabática y reversible, luego 
se lo enfría a presión constante hasta la temperatura inicial. Calcule: 
a) El volumen específico del estado inicial y final por la ecuación del coeficiente de compresibilidad. Comparar con el 
diagrama entálpico. 
b) La variación real de entalpía del proceso usando el diagrama entálpico. 
 
 
Ejercicio E6 
En un recipiente rígido se tiene una mezcla de 4 kg de butano y 10 kg de propano a 280 ºC y 140 atm relativas. Calcule el 
volumen específico por la ecuación del coeficiente de compresibilidad. 
 
 
Ejercicio E7 
Un dispositivo vertical que consta de un émbolo y un cilindro contiene un gas a una presión de 100 kPa. El émbolo tiene 
una masa de 5 kg y diámetro de 12 cm. Se colocan unas pesas sobre el émbolo para duplicar la presión del gas. Determine: 
a) La presión atmosférica local 
b) La masa de las pesas. 
 
 
 
Termodinámica 
Ejercitación - Rev. 2020 
 
3 | UTN 
 
Ejercicios Propuestos 
 
Ejercicio R1 
Una masa de 0,5 g de gas está contenida en un dispositivo cilindro-pistón. El pistón (área 
0,0078 m2 y masa 10 kg) se encuentra solidario a un muelle o resorte. Inicialmente, la cara 
interna del pistón está en x = 0 m, y el muelle no ejerce fuerza alguna sobre el pistón. Como 
resultado de la transferencia de calor, el gas se expande elevando al pistón hasta que tropieza 
con los topes. En ese momento su cara interna se encuentra en x = 0,06 m y cesa el flujo de 
calor. La fuerza ejercida por el muelle sobre el pistón cuando el gas se expande varía 
linealmente con x según 𝐹𝑚𝑢𝑒𝑙𝑙𝑒 = 𝑘 𝑥, donde k = 10.000 N/m. El rozamiento entre el pistón y 
la pared del cilindro puede despreciarse. La aceleración de la gravedad es g = 9,81 m/s2 y la 
presión atmosférica 1 bar. 
a) ¿Cuál es la presión inicial del gas, en kPa? 
b) Determine el trabajo hecho por el gas sobre el pistón, en J. 
 
 
Ejercicio R2 
Se bombea CO2 a 330 K y 10 MPa en un pozo petrolero, de manera que su baja viscosidad favorezca su flujo. Para este 
proceso, se necesita calcular la densidad del flujo de CO2. Asimismo, se desea estimar el error que se comete utilizando 
la ley de los gases ideales para el cálculo de la densidad. 
 
 
Ejercicio R3 
Una bomba de alimentación entrega 0,05 m3/s de agua a 240 °C y 20 MPa. ¿Cual es el caudal másico bombeado, en 
kg/s? ¿Cuál sería el porcentaje de error si se usaran las propiedades del líquido saturado a 240 °C en el cálculo? ¿Qué 
pasaría si se usaran las propiedades del líquido saturado a 20 MPa? Realice gráficos P-v y T-v y extraiga conclusiones. 
 
 
Ejercicio R4 
Un tanque contiene 2 kg de N2 a 100 K con una calidad de 0,5. Describa el 
estado final del sistema si mediante un caudalímetro acoplado a una válvula, 0,5 
kg de N2 se remueven del tanque, manteniéndose la temperatura constante. 
Calcule el volumen de N2 extraído si el conjunto caudalímetro-válvula se ubica: 
a) En la parte superior del tanque. 
b) En el fondo del tanque. 
 
 
 
Termodinámica 
Ejercitación - Rev. 2020 
 
UTN | 4 
UNIDAD TEMÁTICA 4 - Primer Principio de la Termodinámica 
 
Ejercicios de Clase 
 
Ejercicio E8 
El gas contenido en un recipiente, pasa de un estado inicial (1) a otro final (2), de acuerdo 
a distintas transformaciones, donde se desea determinar: 
a) La variación de energía interna para el camino recorrido 1A2, donde absorbe 
20.000 kcal y realiza un trabajo de 25.000 kJ. 
b) La cantidad de calor intercambiado si el camino recorrido es 1B2 y se realiza un 
trabajo de 25.000 kcal. 
c) La cantidad de calor intercambiado en el camino de retorno de 2 hasta 1, a través 
de la trayectoria curva, donde recibe 5.000 kcal como trabajo del medio. 
d) Las cantidades de calor intercambiado entre 1A y A2, sabiendo que U1 = 0 y UA = 
10.000 kcal. 
 
 
Ejercicio E9 
El estado de un gas que se encuentra bajo el pistón de un cilindro está determinado por el punto 1, de acuerdo al diagrama 
del problema anterior. El gas pasa al estado 2, una vez por el camino 1A2 y otro por el 1B2. Determine si difieren en estos 
procesos las cantidades de calor suministrado y extraído y en qué valor. Se sabe que las presiones en los puntos 1 y 2 
son 1 bar y 5 bar respectivamente y que la variación de volumen es de 0,5 m3. 
 
 
Ejercicio E10 
Un cilindro contiene oxígeno a la presión de 2,026x105 Pa. El volumen es 0,003 m3 y la temperatura es 300 K. Se somete 
a los siguientes procesos: 
- Se calienta a presión constante hasta 500 K. 
- Se enfría a volumen constante hasta 150 K. 
- Se enfría a presión constante hasta un volumen de 0,003 m3. 
- Se calienta a volumen constante hasta 300 K. 
a) Represente estos procesos en un diagrama P-v, dando valores de P, V y T en cada punto extremo de los procesos 
desarrollados en el ciclo. 
b) Calcule las variaciones de energía interna y los flujos de trabajoy calor en cada etapa del proceso y totales. 
 
 
Ejercicio E11 
Un recipiente tiene un émbolo en la parte superior que se puede desplazar sin rozamiento y 
transmite al gas de etileno contenido en el interior una presión manométrica de 3,5 kg/cm2. 
Las condiciones iniciales son: 60 °C y volumen 500 lts. El medio entrega trabajo a través de 
una hélice, hasta que la temperatura alcanza los 100 °C. Las paredes del recipiente no son 
adiabáticas y transfieren al medio el 10% del trabajo de la hélice. Determinar: 
a) Los moles dentro del recipiente y parámetros del estado final. 
c) La variación de energía interna del sistema. 
d) El trabajo realizado por el sistema contra el medio. 
e) El trabajo recibido de la hélice. 
f) Nuevamente los ítems anteriores, si al pistón se le limita el volumen final a 530 lts y se le entrega trabajo con la 
hélice hasta la temperatura final de 100 °C. 
 
 
Ejercicio E12 
Dos recipientes de paredes rígidas, aislados térmicamente, están comunicados por 
una válvula inicialmente cerrada. El recipiente A contiene 5 moles de un gas ideal 
cuyo calor específico es Cv = 3 cal/gmol K y se encuentra a 300 K. En el recipiente 
B, hay 8 moles de otro gas ideal de calor específico Cv = 5 cal/gmol K y se encuentra 
a una temperatura de 400 K. Determine la temperatura final si en un momento determinado se abre la válvula. 
Termodinámica 
Ejercitación - Rev. 2020 
 
5 | UTN 
Ejercicio E13 
Dos recipientes adiabáticos están comunicados a través de una válvula que 
inicialmente está cerrada. El gas contenido es Argón. Los parámetros de estado 
inicial de ambos recipientes son: 
- Recipiente A: 1000 lts, 5 atm relativas y 400 K. 
- Recipiente B: 400 lts, 3 atm relativas y 450 K. 
a) Determine los parámetros de la nueva condición de equilibrio cuando se 
abre la válvula. 
b) Calcule el trabajo realizado y el signo del mismo. 
c) Recalcule los ítems anteriores, si se aumenta la presión inicial del recipiente B a 8 atm relativas. 
 
 
Ejercicio E14 
Un mol de gas ideal, con k=1,33, inicialmente en condiciones normales (0 °C y 1 atm), se comprime reversiblemente e 
isotérmicamente hasta reducir su volumen a la mitad y luego se expande en forma adiabática reversible hasta su presión 
inicial. Determine: 
a) El trabajo total realizado. 
b) El calor total intercambiado. 
c) La variación total de energía interna. 
d) La temperatura final. 
e) Los ítems anteriores, si el proceso se completa cerrando el ciclo con una evolución isobárica. 
 
 
Ejercicio E15 
Una corriente de 15 kg/h de aire ingresa a un compresor ideal a la presión atmosférica y temperatura 30 °C, elevándose 
la presión hasta 4 atm relativas. Despreciar la variación de Energía Cinética y Potencial entre la entrada y la salida del 
compresor. Determine: 
a) La temperatura al final de la compresión. 
b) La potencia que se debe entregar al sistema. 
c) La variación de entalpía del gas y su signo. 
d) La cantidad de calor intercambiada con el medio. 
e) Recalcule los ítems anteriores si la compresión fuera politrópica (k=1,3). 
Analice los resultados. 
 
 
Ejercicio E16 
Se tiene un flujo de aire comprimido a razón de 15 kg/h a 5 ata y 100 °C que ingresa a una turbina expandiéndose hasta 
alcanzar la presión atmosférica. Determine: 
a) La temperatura al final de la expansión. 
b) La potencia que entrega el sistema. 
c) La variación de entalpía del gas y su signo. 
d) La cantidad de calor intercambiada con el medio. 
e) Recalcule los ítems anteriores si la expansión fuera politrópica (k=1,3). 
Analice los resultados. 
 
 
Ejercicio E17 
A un compresor de 2 etapas ingresan 20 m3/min de Nitrógeno a 760 mmHg y 300 
K. A la salida, la presión es 41 atm relativas (exponente politrópico k=1,3). La 
temperatura al finalizar el enfriamiento intermedio es de 300 K. Determine: 
a) La presión intermedia. 
b) Los parámetros faltantes en cada estado. 
c) La potencia para cada una de las compresiones. 
d) La cantidad de calor que absorbe el agua de enfriamiento. 
e) La temperatura final si se hubiera comprimido en una sola etapa y la potencia consumida. 
Analice los resultados. 
Termodinámica 
Ejercitación - Rev. 2020 
 
UTN | 6 
Ejercicio E18 
Un recipiente está conectado a una cañería con aire a través de una válvula. Las 
condiciones de la cañería son P = 4 atm relativas y 100 °C. Las condiciones iniciales 
del recipiente son P = 1 ata, 27 °C y V = 1000 litros. Toda la instalación se considera 
adiabática. La temperatura del medio es 0 °C. Se abre la válvula que la temperatura 
del recipiente se estabilice. Determine: 
a) La masa inicial contenida en el recipiente. 
b) Las condiciones finales en el recipiente. 
c) La variación de energía del mismo. 
 
 
Ejercicio E19 
Un depósito grande contiene vapor de agua a la presión de 15 bar y a una temperatura de 320 °C. Una válvula conecta 
el depósito con una turbina seguida por un pequeño depósito de 0,6 m3 inicialmente 
vacío. En caso de emergencia, la válvula se abre y el depósito se va llenando con 
vapor hasta que la presión alcanza los 15 bar. En ese momento la temperatura es 
400 °C. Entonces, se cierra la válvula. El proceso de llenado se desarrolla 
adiabáticamente y las variaciones de la energía cinética y potencial son 
despreciables. Determine el trabajo desarrollado por la turbina, en kJ. 
 
 
Ejercicio E20 
Con una pulidora neumática se realiza trabajo, consumiendo aire comprimido de un recipiente de 8 m3, que inicialmente 
tiene una presión de 7 atm relativas y 20 °C. El recipiente es adiabático. Al finalizar 
la tarea se observa que la presión del recipiente es 5 atm relativas. El proceso 
transfiere al medio ambiente 50 kcal y la presión de salida del aire de la pulidora es 
la atmosférica. Determine: 
a) La cantidad inicial y final de aire en el recipiente. 
b) La variación de energía del sistema. 
c) La potencia consumida por la pulidora (k=1,3). 
Analice: 
d) ¿Qué ocurre si la presión inicial del recipiente se aumenta a 11 ata? 
e) ¿Como se puede resolver este problema aplicando el Primer Principio de la Termodinámica para sistemas 
cerrados? 
 
 
Ejercicios Propuestos 
 
Ejercicio R5 
Un gas en un dispositivo cilindro-pistón sufre dos procesos consecutivos. Desde el estado 1 al 2 hay una transferencia de 
energía al gas mediante calor, de magnitud 500 kJ, y el gas realiza un trabajo sobre el pistón con un valor de 800 kJ. El 
segundo proceso, desde el estado 2 al estado 3, es una compresión a la presión constante de 400 kPa, durante la cual 
hay una transferencia de calor, desde el gas, igual a 450 kJ. También se conocen los siguientes datos: U1 = 2.000 kJ y U3 
= 3.500 kJ. Despreciando cambios en la energía cinética y potencial, calcule el cambio en el volumen del gas durante el 
proceso 2-3, en m3. 
 
 
Ejercicio R6 
Un pistón de volumen 0,1 m3 contiene 50 kg de agua a 200 kPa. Se colocan topes en el cilindro para restringir el volumen 
a un máximo de 0,5 m3. El agua se calienta hasta que el pistón llega a los topes. Encuentre la transferencia de calor 
necesaria. 
 
 
 
 
Termodinámica 
Ejercitación - Rev. 2020 
 
7 | UTN 
Ejercicio R7 
Un cilindro-pistón contiene 1 kg de propano a 700 kPa y 40 °C. El área transversal del pistón es de 0,5 m2, y la fuerza 
externa total que se ejerce sobre el mismo es directamente proporcional al cuadrado del volumen del cilindro. Se transfiere 
calor al propano hasta que la temperatura alcanza los 700 °C. Determine: 
a) La presión final dentro del cilindro. 
b) El trabajo realizado por el propano. 
c) El calor transferido durante el proceso. 
 
 
Ejercicio R8 
Un tanque de 1 m3 contiene aire a 25°C y 500 kPa. Está conectado mediante una válvula a otro tanque que contiene 4 kg 
de aire a 60 °C y 200 kPa. Cuando se abre la válvula, el aire alcanza el equilibrio térmico con los alrededores, que se 
encuentra a 20 °C. Calcule la presión final y la energía que se transfiere en forma decalor entre el aire confinado en los 
tanques y el medio. Considerar Cv cte a 25 °C. 
 
 
Ejercicio R9 
Un proceso industrial requiere un suministro constante de vapor saturado a 
200 kPa, a una tasa de 0,5 kg/s. Además necesita un caudal constante de 
aire comprimido a 500 kPa a razón de 0,1 kg/s. El vapor se expande en una 
turbina, la cual provee la energía necesaria para accionar el compresor. La 
salida del vapor es en estado saturado y la entrada del aire es en condiciones 
normales. Ambos equipos tienen un rendimiento isentrópico del 80%. 
Calcule la temperatura y presión de entrada del vapor. Considere ambos 
equipos adiabáticos. 
 
 
Ejercicio R10 
Una estrategia para operar una turbina de vapor a carga parcial consiste en regular a un valor menor la presión del vapor 
a la entrada de la misma. La línea de vapor que alimenta a una turbina tiene una presión de 2 MPa y 400 °C, mientras que 
la descarga de la turbina se mantiene a 10 kPa. Asumiendo que la expansión dentro de la turbina es adiabática y reversible, 
determine: 
a) El trabajo que entrega la turbina operando a capacidad nominal. 
b) La presión a la que se debe regular la alimentación de la turbina de manera que la misma opere al 80 % de 
capacidad. 
 
 
Ejercicio R11 
Un tanque de 20 ft3 contiene amoníaco a 80 °F y 20 lbf/in2. Está conectado mediante una válvula a una línea por la que 
fluye amoníaco a 140°F y 180 lbf/in2. Se abre la válvula hasta que el tanque se llena de líquido hasta la mitad de su volumen 
a 80 °F. Calcule el calor transferido desde el tanque durante el proceso. 
 
 
Ejercicio R12 
Un tanque de 200 litros contiene agua a 100 kPa y título de 1 %. Se transfiere calor, elevando la temperatura y presión del 
fluido. A la presión de 2 Mpa, se abre una válvula y el vapor saturado escapa del tanque. El proceso continúa hasta que el 
título dentro del recipiente es del 90%. Determine la cantidad de materia que escapó del tanque y el calor entregado. 
 
 
Termodinámica 
Ejercitación - Rev. 2020 
 
UTN | 8 
UNIDAD TEMÁTICA 5 - Segundo Principio de la Termodinámica 
 
Ejercicios de Clase 
 
Ejercicio E21 
Una turbina funciona consumiendo 950.000 Kcal/h de vapor de una fuente cálida, produciendo 400 KW de energía eléctrica 
y entregando calor a una fuente fría. El rendimiento isentrópico de la turbina es 0,87. Calcule: 
a) El rendimiento térmico de la instalación irreversible. 
b) El rendimiento, si la turbina fuera reversible. 
c) La relación de temperaturas extremas para este nuevo rendimiento. 
d) El rendimiento térmico reversible si la temperatura absoluta de la fuente cálida se aumenta en un 30%. 
 
 
Ejercicio E22 
Una instalación de aire acondicionado retira de una sala 1.000.000 kcal/h. El compresor 
consume, funcionando irreversiblemente, 300 HP de potencia. El rendimiento isentrópico del 
compresor es 0,85. Calcule: 
a) El coeficiente de efecto frigorífico. 
b) El coeficiente de efecto frigorífico, si el compresor fuera reversible. 
c) Para el caso del compresor reversible, la temperatura absoluta de la fuente cálida, si 
la sala se mantiene a 25 °C. 
 
 
Ejercicio E23 
Un proceso industrial requiere 5 x 105 kJ por día para mantener su temperatura a 20 °C cuando la temperatura exterior es 
0 °C. Si se emplea un ciclo de bomba de calor para suministrar dicha energía, determine el trabajo teórico mínimo para un 
día de operación. 
 
 
Ejercicio E24 
Los siguientes datos corresponden a ciclos termodinámicos que operan entre dos focos a 650 °C y 1000 °C. Determine 
para cada caso si el ciclo es posible o no, y en el caso de ser posible, si es reversible o irreversible: 
a) Qc = 1000 KJ Wciclo = 600 KJ 
b) Qc = 2000 KJ Qf = 900 KJ 
c) Qc = 1600 KJ 𝞰 = 30 % 
d) Qc = 300 KJ Qf = 120 KJ Wciclo = 180 KJ 
e) Qc = 350 KJ Qf = 180 KJ Wciclo = 520 KJ 
f) Wciclo = 400 KJ cef = 0,5 
g) Qc = 923 KJ Qf = 373 KJ Wciclo = 550 KJ 
 
 
Ejercicio E25 
Una turbina funciona intercambiando calor con tres fuentes que tienen diferentes temperaturas. Se conocen las 
temperaturas de las fuentes y los valores absolutos de los intercambios de calor, pero no los sentidos de los mismos. 
Q1 = 1200 kcal T1 = 1250 K 
Q2 = 500 kcal T2 = 600 K 
Q3 = 300 kcal T3 = 500 K 
Determine: 
a) Las posibilidades de funcionamiento. 
b) Los signos de los intercambios de calor. 
c) Si la turbina es reversible o no. 
d) El rendimiento térmico y el trabajo obtenido. 
e) La cantidad de calor necesaria para que la turbina funcione en forma reversible, sin modificar los restantes 
parámetros. 
 
 
Termodinámica 
Ejercitación - Rev. 2020 
 
9 | UTN 
Ejercicio E26 
Vapor de agua inicialmente a 400 K y 1 bar, realiza un proceso hasta 900 K y 5 bar. Determine la variación de entropía 
específica empleando: 
a) Tabla de vapor. 
b) Diagrama T-s. 
c) Diagrama h-s. 
d) Tabla de gas ideal para vapor de agua. 
e) Integración de Cp(T). 
 
 
Ejercicio E27 
En un sistema adiabático se mezclan 6.000 litros de agua a 7 °C y 50.000 litros de agua a 80 °C, trabajando a presión 
atmosférica. Determine: 
a) La temperatura de la mezcla. 
b) La variación de entropía del Universo. 
c) La variación de entropía del Universo, si se mantienen las condiciones, 
cuando varía la primera temperatura. 
Explique cómo se podría llegar a una temperatura de equilibrio a través de un 
proceso reversible, si se mantienen las temperaturas iniciales. Calcule: 
d) La nueva temperatura de equilibrio. 
e) Las energías que se han manifestado. 
 
 
Ejercicio E28 
Un flujo de vapor de agua entra a una turbina con una presión de 30 bar, una temperatura de 400 °C y una velocidad de 
160 m/seg. El vapor sale saturado a 100 °C y con una velocidad de 100 m/seg. En régimen estacionario, la turbina produce 
540 kJ de trabajo, por kilogramo de vapor que la atraviesa. La transferencia de calor entre la turbina y su entorno tiene 
lugar a una temperatura media en la superficie externa de 500 K. Determine la entropía generada por kilogramo de vapor. 
 
 
Ejercicio E29 
Determine si un flujo de aire (1,5 bar y 27 °C) se puede dividir en dos corrientes equimolares, 
a una presión de 1 bar. Una de ellas sale a -123 °C. Considerar el sistema adiabático. 
 
 
Ejercicio E30 
Un tanque aislado de 5 m3 equipado con un calentador eléctrico contiene inicialmente aire presurizado a 500 kPa. La 
válvula de salida se abre y se permite el escape de un flujo de aire a una temperatura constante de 57 °C, hasta que la 
presión dentro de tanque llega a los 200 kPa. Determine: 
a) El trabajo eléctrico realizado. 
b) El cambio de entropía total. 
 
 
Ejercicio E31 
Un dispositivo cilindro-pistón contiene inicialmente agua en un estado de líquido saturado a 100°C. El agua 
sufre un proceso en el que pasa al estado de vapor saturado, durante el cual el pistón desliza libremente 
en el cilindro, mediante los siguientes procesos: 
1) El cambio de estado se produce por calentamiento del agua en un proceso internamente reversible a 
presión y temperatura constantes. 
2) El cambio de estado se produce adiabáticamente mediante el concurso de un agitador de paletas. 
Para cada uno de los procesos, determine por unidad de masa de agua, en kJ/kg: 
a) La variación de exergía. 
b) La transferencia de exergía asociada al trabajo 
c) La transferencia de exergía que acompaña al calor y la destrucción de exergía. 
Tomar T0 = 25 °C y P0 = 1,013 bar. 
Termodinámica 
Ejercitación - Rev. 2020 
 
UTN | 10 
Ejercicio E32 
Un flujo de vapor de agua entra a una turbina con una presión 
de 30 bar, una temperatura de 400 °C, y una velocidad de 160 
m/s. El vapor sale saturado a 100 °C, y a una velocidad de 100 
m/s. En estado estacionario, la turbina produce 540 kJ de trabajo 
por cada kilogramo de vapor que la atraviesa. La transferencia 
de calor entre la turbina y el entorno ocurre a una temperatura 
media de la superficie externa igual a 350 K. Desarrolleun 
cálculo detallado de la exergía neta que aporta el vapor al 
volumen de control por unidad de masa de vapor que atraviesa 
la turbina, en kJ/kg. Despreciar la variación de energía potencial 
entre la entrada y la salida. Tomar T0 = 25 °C y P0 = 1 atm. 
 
 
Ejercicio E33 
El cilindro de un motor de combustión interna contiene 2450 cm3 de gases producidos en la combustión 
a una presión de 7 bar y a una temperatura de 867 °C, justo antes de que se abra la válvula de escape. 
Calcule la exergía específica del gas, en kJ/kg. Puede considerarse que los términos de energía cinética 
y potencial son despreciables y que los productos de combustión son aire con comportamiento de gas 
ideal. Tomar T0 = 25 °C y P0 = 1,013 bar. 
 
 
Ejercicios Propuestos 
 
Ejercicio R13 
Un flujo de agua a una tasa de 60 kg/h circula por un intercambiador de calor, ingresando como vapor saturado a 200 kPa 
y saliendo como líquido saturado. Este fluido actúa como fuente para una máquina térmica que opera contra un reservorio 
frío a 16 °C. Identifique cuál es el mayor valor de trabajo útil que puede entregar el sistema bajo estas condiciones. Discuta 
qué cambios son necesarios en el sistema para reemplazar la máquina térmica por un ciclo frigorífico y por una bomba de 
calor. 
 
 
Ejercicio R14 
Considere el acondicionamiento de aire de una casa mediante el empleo de energía solar. Un experimento en una localidad 
dada demostró que la radiación solar permite mantener a 175 °C un gran tanque de agua presurizada. Durante un intervalo 
de tiempo particular debe extraerse de la casa una cantidad de calor de 1500 kJ para mantener su temperatura a 24 °C, 
cuando la temperatura de los alrededores es 33 °C. Considerando el tanque de agua, la casa y los alrededores como 
depósitos térmicos, determinar la cantidad mínima de calor que se debe extraer del tanque de agua por un dispositivo 
construido para alcanzar el enfriamiento requerido para la casa. No hay otras fuentes de energía disponibles. 
 
 
Ejercicio R15 
Un granjero utiliza una bomba de calor con un motor de 2 kW. Se supone que mantiene un criadero de pollos a 30 °C, 
que pierde energía a una velocidad de 0,5 kW por grado de diferencia con el ambiente más frío. La bomba de calor tiene 
un rendimiento del 50 % comparado al propuesto por Carnot. ¿Cual es la temperatura mínima del ambiente para que la 
bomba de calor sea suficiente? 
 
 
Ejercicio R16 
Considere las siguientes máquinas térmicas, que operan entre una fuente caliente a 1200 K y una fuente fría a 400 K: 
1) Q1 = 6 kW Q2 = 4 kW W = 2 kW 
2) Q1 = 6 kW Q2 = 0 kW W = 6 kW 
3) Q1 = 6 kW Q2 = 2 kW W = 5 kW 
4) Q1 = 6 kW Q2 = 6 kW W = 0 kW 
Determine si alguna de ellas es una máquina de movimiento perpetuo, y en caso afirmativo de qué tipo, mediante el análisis 
para cada una de: 
a) El Primer Principio. 
Termodinámica 
Ejercitación - Rev. 2020 
 
11 | UTN 
b) El enunciado de Carnot del Segundo Principio. 
c) La Desigualdad de Clausius 
 
 
Ejercicio R17 
Una masa de 1/4 lbmol de nitrógeno gaseoso atraviesa un proceso desde 20 lbf/in2 y 500 R hasta 150 lbf/in2 y 800 R. 
Sobre el sistema se realiza un trabajo de 500 BTU. Asumiendo un comportamiento de gas ideal, determine cuánta energía 
intercambió el sistema en forma de calor, en BTU, y la variación de entropía del sistema, en BTU/R. Tener en cuenta que 
1 lbmol = 453,6 mol. 
 
 
Ejercicio R18 
Una gran losa de concreto, de dimensiones 5 x 8 x 0,3 m, se utiliza como masa de 
almacenamiento térmico en una residencia con energía solar. Si la losa se enfría 
durante la noche desde 23 a 18 °C en una casa a 18 °C, ¿cuál es el cambio de 
entropía neto asociado a este proceso? 
 
 
Ejercicio R19 
Considere un cilindro horizontal bien aislado que está dividido en dos compartimentos 
por un émbolo libre de moverse pero el cual no permite que ninguno de los dos gases se infiltre al otro lado. Inicialmente, 
un lado del émbolo contiene 1 m3 de nitrógeno a 500 kPa y 80 °C, mientras el 
otro lado contiene 1 m3 de helio a 500 kPa y 25 °C. Luego, se establece el 
equilibrio térmico en el cilindro como resultado de la transferencia de calor a 
través del émbolo. Usando calores específicos a temperatura ambiente (25°C), 
determine: 
a) La temperatura final de equilibrio en el cilindro. 
b) La entropía generada. 
 
 
Ejercicio R20 
Un pistón, que descansa sobre dos topes, contiene 2 kg de agua líquida a 20 °C y 100 kPa. Se calienta desde una fuente 
de 500 °C hasta que el agua llegue a 300 °C. A partir de los 1000 kPa, el pistón comienza a moverse. Determine la 
generación de entropía del proceso. 
 
Ejercicio R21 
Considere un cilindro horizontal bien aislado que está dividido en dos compartimentos por un émbolo que no permite que 
ninguno de los dos gases se infiltre al otro lado. Inicialmente, un lado del émbolo contiene 1 m3 de nitrógeno a 500 kPa y 
80 °C, mientras el otro lado contiene 1 m3 de helio a 500 kPa y 25 °C. Luego, se establece el equilibrio térmico en el cilindro 
como resultado de la transferencia de calor a través del émbolo. Evalúe y cuantifique el potencial de trabajo desperdiciado: 
a) Si el émbolo es libre de moverse. 
b) Si el émbolo no tuviera libertad de movimiento. 
 
Ejercicio R22 
Sea un ciclo Rankine simple donde la turbina trabaja a 20 MPa y 700 °C, y la entrada a la bomba es a 20 kPa y 40°C. 
Ambos equipos se consideran adiabáticos y reversibles. Calcule el calor que se extrae en el condensador y la exergía 
involucrada en el proceso, asumiendo una temperatura ambiente a 20 °C. Calcule además la destrucción de exergía en el 
proceso. 
 
Termodinámica 
Ejercitación - Rev. 2020 
 
UTN | 12 
UNIDAD TEMÁTICA 6 - Análisis Termodinámico de Procesos 
 
Ejercicios de Clase 
 
Ejercicio E34 
Considérese un ciclo de potencia regenerativo 
con recalentamiento que tiene dos calentadores 
del agua de alimentación, uno cerrado y otro 
abierto. El vapor entra en la primera turbina a 8,0 
MPa, 480 °C y se expande hasta 0,7 MPa. El 
vapor es recalentado hasta 440 °C antes de 
entrar en la segunda turbina, donde se expande 
hasta la presión del condensador que es de 0,008 
MPa. Se extrae vapor de la primera turbina a 2 
MPa para alimentar el calentador cerrado del 
agua de alimentación. El agua de alimentación 
deja el calentador cerrado a 205 °C y 8,0 MPa, y 
el condensado sale como líquido saturado a 2 
MPa. El condensado se lleva a través de una 
válvula al calentador abierto. Se extrae vapor de 
la segunda turbina a 0,3 MPa para alimentar el 
calentador abierto del agua de alimentación, que 
opera a 0,3 MPa. La corriente que sale del 
calentador abierto es líquido saturado a 0,3 MPa. 
La potencia neta obtenida en el ciclo es de 100 
MW. No existe transferencia de calor entre los 
componentes y el entorno. El fluido de trabajo no 
experimenta irreversibilidades a su paso por 
turbinas, bombas, generador de vapor, calentador y condensador. 
a) Represente la evolución del fluido de trabajo en un diagrama T-s. 
b) Determine el rendimiento térmico de la planta 
c) Calcule el flujo másico de vapor que entra en la primera etapa de la turbina, en kg/h. 
 
 
Ejercicio E35 
Se tiene un sistema de refrigeración por compresión de vapor 
con dos evaporadores, que utiliza R-134a como fluido de 
trabajo. Esta configuración se utiliza para producir 
refrigeración a dos temperaturas diferentes con un solo 
compresor y un único condensador. El evaporador de baja 
temperatura opera a -18 °C con vapor saturado a la salida y 
tiene una capacidad de refrigeración de 3 ton. El evaporador 
de alta temperatura produce a la salida vapor saturado a 3,2 
bar y tiene una capacidad de refrigeración de 2 ton. La 
compresión es isoentrópica y la presión del condensador es 
de 10 bar. No hay pérdidas apreciables de presión en los flujos 
a través del condensador y los dos evaporadores, y el 
refrigerante deja el condensador en estadode líquido saturado 
a 10 bar. 
a) Represente la evolución del fluido de trabajo en un 
diagrama P-h. 
b) Determine el flujo másico de refrigerante en cada 
evaporador, en kg/min. 
c) Calcule la potencia necesaria en el compresor, en kW. 
d) Determine el flujo de calor transferido desde el 
refrigerante a su paso por el condensador, en kW. 
 
Termodinámica 
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Ejercicio E36 
Una central de ciclo combinado gas-vapor 
produce una potencia neta de 45 MW. El aire 
entra al compresor de la turbina de gas a 100 kPa 
y 300 K, y se comprime a 1200 kPa. El 
rendimiento isoentrópico del compresor es 84%. 
Las condiciones a la entrada de la turbina son 
1200 kPa y 1400 K. El aire se expande a través 
de la turbina, que tiene un rendimiento 
isoentrópico del 88%, a una presión de 100 kPa. 
El aire pasa a continuación por el intercambiador 
común de calor y, finalmente, se expulsa a 400 
K. El vapor entra a la turbina del ciclo de vapor a 
8 MPa, 400 °C, y se expande hasta la presión del 
condensador, 8 kPa. El agua entra en la bomba 
como líquido saturado a 8 kPa. La turbina y la 
bomba del ciclo de vapor tienen rendimientos 
isoentrópicos del 90% y el 80%, respectivamente. 
Tome T0 = 300 K, P0 = 100 kPa. 
a) Determine los flujos másicos de aire y 
vapor, cada uno en kg/s, y la potencia 
neta desarrollada por la turbina de gas y 
el ciclo de vapor, cada una en MW. 
b) Desarrolle y analice la contabilidad 
completa del aumento neto de exergía 
cuando el aire atraviesa el combustor. 
Analice los resultados obtenidos. 
 
 
Problemas Propuestos 
 
Problema R23 
Un ciclo Rankine se utiliza para proveer vapor sobrecalentado a un proceso externo, contándose para generar el vapor 
con un flujo de 175 kg/s de aire a 600 °C. La caldera de recuperación de calor debe operar con una diferencia de 
temperatura mínima de 20 °C. Se desea determinar el máximo flujo de vapor sobrecalentado que es posible producir. 
 
 
Problema R24 
Se desea diseñar y evaluar la performance de un un ciclo Rankine supercrítico que incluya una turbina que expanda vapor 
desde 1000 °C (máxima temperatura de operación segura en función del material de construcción de la misma) hasta la 
saturación, así como un calentador abierto en la alimentación a la caldera. La eficiencia isentrópica mínima de la turbina 
seleccionada debe ser de 85%. 
 
 
Problema R25 
Un proceso consume 10 MW como calor, debiendo proveerse al mismo vapor a 1 MPa, que luego de utilizado es regresado 
como líquido a 100 kPa. Para proveer dicha energía, se solicita configurar un ciclo Rankine que simultáneamente genere 
30 MW de energía eléctrica. 
 
 
Problema R26 
Se desea generar energía con una turbina de gas con dos etapas de compresión, dos etapas de expansión, y un 
regenerador con una eficiencia de 70%. Se solicita evaluar la energía que puede generarse en un periodo de 24 hs, así 
como la energía que consume el sistema en dicho periodo. 
 
 
Termodinámica 
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Problema R27 
Un ciclo frigorífico debe remover 500 W del espacio refrigerado, el cual debe mantener a los productos almacenados al 
menos a -20 °C. Se solicita configurar un sistema que pueda realizar dicha tarea, y evaluar su tasa de generación de 
entropía. 
 
 
Problema R28 
Se utiliza R12 en un ciclo frigorífico que opera utilizando un compresor de 2.4 kW y eficiencia de 82%. Se ha medido una 
caída de presión de 10% entre la entrada y la salida de los intercambiadores. Se desea evaluar la capacidad de 
refrigeración del ciclo, así como su performance operativa. 
 
 
Problema R29 
Se tiene un ciclo dual de potencia- refrigeración. Se solicita determinar la 
relación del flujo que circula por el ciclo de potencia, respecto del que circula 
por el de refrigeración, y asimismo, evaluar la performance del sistema. 
 
 
Problema R30 
De una turbina de gas se conocen los siguientes datos de catálogo: 
- Potencia: 120 MW 
- Rendimiento: 36 % 
- Gasto másico de escape: 350 kg/s 
- Temperatura de escape: 625 ºC 
- Calor específico de los gases: 1 kJ/kg ºC 
Se desea acoplar a dicha turbina de gas un ciclo Rankine de 2 niveles de presión, y determinar el trabajo eléctrico total 
que puede generar el sistema a capacidad nominal y su eficiencia bajo dichas condiciones. 
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