SOLUCIoN FINAL PRaCTICA N_3

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UNIVERSIDAD DE PIURA 
FACULTAD DE INGENIERÍA 
CURSO: FÍSICA GENERAL II 
Practica Calificada N° 03 
Fecha: Lunes, 30 de Enero de 2012. 
Sin libros y sin apuntes NOMBRE: _____________________________
 HORA: 4:00 a 6:00 pm 
 
INSTRUCCIONES: TRABAJE CON ORDEN Y LIMPIEZA. 
 
TEORÍA (30 minutos) 
Responder a las siguientes preguntas: 
1. Mencione las características de una máquina térmica. (0.5 punto) 
1. Reciben calor de una fuente a temperatura alta (energía solar, horno de petróleo, 
reactor nuclear, etcétera). 
2. Convierten parte de este calor en trabajo (normalmente en la forma de un eje en rotación). 
3. Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de calor de baja temperatura (la 
atmósfera, los ríos, etcétera). 
4. Operan en un ciclo. 
 
2. Diga la eficiencia aproximada de: a) Un automóvil de encendido por chispa, b) Un automóvil 
de encendido por compresión, c) Plantas de turbinas de gas y d) Grandes plantas de potencia 
de ciclo combinado.(0.5 puntos). 
Dispositivo Rendimiento 
Automóvil encendido por chispa 25 % 
Automóvil encendido por compresión 40 % 
Plantas de turbinas de gas 40 % 
Grandes Plantas de potencia de ciclo combinado 60 % 
 
3. De acuerdo a lo visto en clase, esquematice una máquina que movimiento perpetuo que: 
a) Viole la primera ley de la termodinámica (0.75 puntos). 
 
2 
 
b) Viole la segunda ley de la termodinámica (0.75 puntos). 
 
4. Indique las 5 suposiciones que se tienen en cuenta cuando en un ciclo se toma como fluido de 
trabajo a aire estándar frío. (1 punto) 
1. El fluido de trabajo es aire que circula de modo continuo en un circuito cerrado y 
siempre se comporta como un gas ideal. 
2. Todos los procesos que integran el ciclo son internamente reversibles . 
3. El proceso de combustión es sustituido por un proceso de adición de calor desde una 
fuente externa. 
4. El proceso de escape es sustituido por un proceso de rechazo de calor que regresa al 
fluido de trabajo a su estado inicial. 
5. Para simplificar aún más el análisis, con frecuencia se emplea la suposición que el aire tiene 
calores específicos constantes cuyos valores se determinan a temperatura ambiente (25°C o 
77°F). Cuando se utiliza esta suposición, las suposiciones de aire estándar son llamadas 
suposiciones de aire estándar frío. 
 
5. Indique las idealizaciones y simplificaciones empleadas en el análisis de ciclos de potencia.(1 
punto) 
1. El ciclo no implica ninguna fricción. 
2. Todos los proceso de expansión y compresión se dan en el modo de cuasiequilibrio. 
3. Las tuberías que conectan a los diferentes componentes de un sistema están muy bien 
aisladas y la transferencia de calor por ellas es despreciable. 
4. Se ignoran los cambios de energías cinética y potencial del fluido de trabajo. 
 
6. Completar: Los procesos reversibles en el caso de dispositivos que PRODUCEN trabajo, 
como motores de automóvil y turbinas de gas o vapor ENTREGAN MÁS trabajo, y los 
dispositivos que CONSUMEN TRABAJO como los compresores, los ventiladores y las 
bombas REQUIEREN MENOS trabajo cuando se utilizan los procesos reversibles en vez de 
los irreversibles. (0.5 punto) 
 
7. Mencione CINCO causas de irreversibilidades (1 puntos). 
 La fricción 
 La expansión libre 
 El mezclado de dos fluidos 
 La transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita. 
 La resistencia eléctrica 
 La deformación inelástica de sólidos 
 Las reacciones químicas. 
3 
 
 
8. Completar con <, > ó = (0.5 puntos). 
 
,
, ,
,
para una máquina térmica irreversible
para una máquina térmica reversible
para una máquina térmica imposible
ter rev
ter máquina ter rev
ter rev

 

 




 
9. Mencione los dos principios de Carnot (1 punto). 
1. La eficiencia de una máquina térmica irreversible es siempre menor que la eficiencia de una 
máquina reversible que opera entre los mismos dos depósitos. 
2. Las eficiencias de las máquinas térmicas reversibles que operan entre los mismos depósitos 
son las mismas. 
10. ¿Qué es la entropía? (0.5 puntos). 
Es una medida del desorden. 
 
4 
 
UNIVERSIDAD DE PIURA 
FACULTAD DE INGENIERÍA 
CURSO: FÍSICA GENERAL II 
Practica Calificada N° 03 
Fecha: Lunes, 30 de Enero de 2012. 
Sin libros y sin apuntes NOMBRE: _____________________________
 HORA: 4:00 a 6:00 pm 
INSTRUCCIONES: TRABAJE CON ORDEN Y LIMPIEZA. 
 
EJERCICIOS (90 minutos) 
1. Un globo de investigación grande contiene 2x103 m3 de helio gaseoso 
a 1.00 atm y a una temperatura de 15 °C se eleva rápidamente desde el 
nivel del suelo hasta una altura donde la presión atmosférica es de sólo 
0.90 atm (ver figura). Suponga que el helio se comporta como un gas 
ideal y que el globo sube tan rápido que no permite intercambio de 
calor con el aire circundante. 1.6helio  
a) Calcule el volumen del gas a la máxima altura. (1 punto) 
b) Determine la temperatura del gas a la máxima altura. 
(1 punto) 
c) ¿Cuál es el cambio en la energía interna del helio conforme el 
globo se eleva a su máxima altura? (2 puntos) 
Dato: 1.6helio heliok   
 
 
 
 
1
2 1
2
1/ 1/1.67
3 31
2 1
2
3 3
2
1 2
1 1 2 2
3 3
2 2
2 1 3 3
1 1
0
2
a)
1.00
2.00 10
0.900
2.13 10
b)
0.900 2.13 10
(288.15 )
1.00 2.00 10
276.2 3
p
V V
p
p atm
V V x m
p atm
V x m
T T
p V p V
p V atm x m
T T K
p V atm x m
T K C
c
 


 
  
 
   
    
  


     
      
    
 
 5 3 3 4 3 3
7
)
1
(1.013 10 )(2.00 10 ) (9.117 10 )(2.13 10 )
0.67
1.25 10
U x Pa x m x Pa x m
U x J
         
  
5 
 
 
2. Considerar al proceso de combustión en motores de combustión interna como un proceso de 
adición de calor a volumen constante o a presión constante, es demasiado simple y nada realista. 
Probablemente un mejor enfoque (pero más complejo) sería modelar el proceso de combustión, 
tanto en motores de gasolina como de diesel, como una combinación de dos procesos de 
transferencia de calor: uno a volumen constante y el otro a presión constante. El ciclo ideal 
basado en este concepto recibe el nombre de ciclo dual y consta de los siguiente procesos: 
1 a 2: proceso compresión isentrópica 
2 a X: adición de calor a volumen constante 
X a 3: adición de calor a presión constante 
3 a 4: expansión isentrópica 
4 a 1: rechazo de calor a volumen constante 
Bajo esta premisa se pide resolver el siguiente problema: 
 
Un ciclo dual de aire estándar tiene una relación de compresión de 15 y una relación de corte de 
admisión de 1.4. La relación de presiones durante el proceso de adición de calor a volumen 
constante es 1.1. Al principio de la compresión P1 = 95 kPa. T1 = 25°C y V1 = 0.003 m
3
. Use 
calores específicos constantes a temperatura ambiente. Se pide: 
a) Dibujar el diagrama P-v del ciclo dual (1 puntos) 
b) Hallar todas las temperaturas y presiones del ciclo. (4 puntos, mostrar resultados en una 
tabla, de manera contraria se descontará puntaje). 
c) El trabajo neto en [kJ/kg] (1 punto). 
d) El trabajo neto en [kJ] (1 puntos). 
e) La eficiencia térmica en porcentaje (1 puntos). 
Datos adicionales:
0.287 . ; 1.005 . ; 0.718 . ; 1.4aire p vR kJ kg K C kJ kg K C kJ kg K k    
 
 
6 
 
Solución 
c
1
1
1
Datos del problema
r=15
r =1.4
Relación de presiones:1.1
P =95kpa
T =25°C
V =0.003m3
 
a) Dibujar el diagrama P-v del ciclo dual (0.5 puntos) 
 
b) Hallar todas las temperaturas y presiones del ciclo. (3.5 puntos, mostrar resultados en una tabla, 
de manera contraria se descontará puntaje). 
 
  
  
 
k-1
1.4-1k-11
2 1 1
2
k
1.4k1
2 1 1
2
x 3 presiones 2
x
x 1
2
Procedimiento
V
T =T =T r = 298.150 15 =880.788 K
V
V
P =P =P r = 95 15 =4209.702kPa
V
P =P =r P =1.1 4209.702 =4630.672 kPa
P 4630.672T =T =925.179 =968.867
P 4209.702
 
 
 
 
 
 
   
   
  
 33 x
x
k-1 1.4 1
3
4 3
4
K
V
T =T =968.867 1.4 =1356.413 K
V
V 1.4
T =T 1356.413 525.299
V 15
K

 
 
 
   
    
  
 
7 
 
3 3
4 4
3 34
4
c x
x c
x
x
c
c
ahora
V V
r V
V r
V V
r V
V r
igualando
V V rV
r r V r
  
  
  
 
1 1.4 1
3
4 3
4
1 4
4 1
4 1
1.4
1356.413 525.299
15
525.995
95 167.377
298.15
k
entonces
V
T T K
V
V T
P P kPa
V T
 
   
     
  
    
      
    
 Temperatura [K] Presión [kPa] 
Estado 1 298.150 95 
Estado 2 880.788 4209.702 
Estado X 968.867 4630.672 
Estado 3 1356.413 4630.672 
Estado 4 525.299 167.377 
(solo tienen puntaje los valores mostrados de color rojo) 
c) El trabajo neto en [kJ/kg] (1 puntos). 
 
 
 
 
2
3
1 4
0.718 968.867 880.788 63.241
1.005 1356.413 968.867 389.484
0.718 298.150 525.299 163.093
63.241 389.484 163.093 289.632 /
x
x
neto
q
q
q
W kJ kg



  
  
   
   
 
d) El trabajo neto en [kJ] (0.5 puntos). 
 
 
 
 
1 1
1
95 0.003
0.003
0.287 298.150
0.003 289.632 0.965neto
PV
m kg
RT
W kJ
  
 
 
e) La eficiencia térmica en porcentaje (0.5 puntos). 
 
,
289.632
63.975%
63.241 389.484
th ciclodual  
