Guía 9 - Física 2

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Guía 9: Segunda ley de la Termodinámica 
Asignatura: Física 2 (Biotecnología) 
Docente (Teórica): Dr. BRIAN WUNDHEILER (brian.wundheiler@iteda.cnea.gov.ar) 
Docente (Practica): Dr. DIEGO MELO (diego.melo@iteda.cnea.gov.ar) 
Día/Horario: Miércoles, 16 hs a 22 hs 
Problema 1: Una maquina térmica admite 360 J de energía de un depósito caliente y realiza 25 J de 
trabajo en cada ciclo. Encuentre: a) La eficiencia de la maquina. b) La energía expulsada al depósito 
frio en cada ciclo. 
 
Problema 2: Una maquina térmica tiene una potencia de salida mecánica de 5 kW y una eficiencia 
de 25 %. La maquina expulsa 8000 J de energía de escape en cada ciclo. Encuentre: a) La energía 
que admite durante cada ciclo. b) El intervalo de tiempo por cada ciclo. 
 
Problema 3: Un motor de gasolina multicilindro en un avión, que funciona a 2500 rev/min, admite 
7.89 x 103 J de energía y expulsa 4.58 x 103 J por cada revolución del cigüeñal. a) ¿Cuantos litros de 
combustible consume en 1 h de operación, si el calor de combustión es 4.03 x 107 J/L?. b) ¿Cual es 
la potencia mecánica de salida de la maquina?. Ignore la fricción y exprese la respuesta en watts. c) 
¿Que potencia debe transferir afuera del motor el sistema de escape y enfriamiento?. 
 
Problema 4: Suponga que una maquina térmica se conecta a dos depósitos de energía, uno es una 
alberca de aluminio fundido (660 °C) y el otro un bloque de mercurio solido (-38.9 °C). La maquina 
participa al congelar 1 g de aluminio y fundir 15 g de mercurio durante cada ciclo. El calor de fusión 
del aluminio es 3.97 x 105 J/kg y el calor de fusión del mercurio es 1.18 x 104 J/kg. ¿Cual es la eficiencia 
de esta máquina?. 
 
Problema 5: Un refrigerador tiene un coeficiente de realización igual a 5. El refrigerador admite 120 
J de energía de un depósito frio en cada ciclo. Encuentre: a) El trabajo requerido en cada ciclo. b) La 
energía expulsada al depósito caliente. 
 
Problema 6: Un refrigerador tiene un coeficiente de realización de 3. El compartimiento de charolas 
de hielo esta a -20 °C, y la temperatura ambiente es de 22 °C. El refrigerador puede convertir 30 g 
de agua a 22 °C a 30 g de hielo a -20 °C cada minuto. ¿Qué potencia de entrada se requiere?. 
Proporcione su respuesta en Watts. 
 
Problema 7: Una de las maquinas térmicas más eficientes jamás construida es una turbina de vapor 
en el valle del rio Ohio, que funciona entre 430 °C y 1870 °C con energía del carbón de Virginia del 
oeste para producir electricidad para el medio oeste. a) ¿Cuál es su máxima eficiencia teórica?. b) 
La eficiencia real del motor es 42 %. ¿Cuánta potencia mecánica entrega la máquina si admite 1.4 x 
105 J de energía cada segundo de su depósito caliente?. 
 
Problema 8: Una máquina de Carnot tiene una potencia de salida de 150 kW. La máquina funciona 
entre dos depósitos a 20 °C y 500 °C. a) ¿Cuánta energía admite por hora?. b) ¿Cuánta energía pierde 
por hora en su descarga?. 
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Problema 9: Un gas ideal circula a través de un ciclo de Carnot. La expansión isotérmica se presenta 
a 250 °C y la compresión isotérmica tiene lugar a 50 °C. El gas admite 1200 J de energía del depósito 
caliente durante la expansión isotérmica. Encuentre: a) La energía expulsada al depósito frio en cada 
ciclo. b) El trabajo neto realizado por el gas en cada ciclo. 
 
Problema 10: Una planta eléctrica funciona a un 32 % de eficiencia durante el verano, cuando el 
agua de mar que utiliza para enfriar está a 20 °C. La planta usa vapor a 350 °C para impulsar las 
turbinas. Si la eficiencia de la planta cambia en la misma proporción que la eficiencia ideal, ¿cuál es 
la eficiencia de la planta en el invierno, cuando el agua de mar está a 10 °C?. 
 
Problema 11: A una turbina entra Argón en una relación de 80 kg/min, a una temperatura de 800 
°C y una presión de 1.5 MPa. Se expande adiabáticamente mientras empuja sobre las aspas de la 
turbina y sale a presión de 300 kPa. a) Calcule su temperatura en la salida. b) Calcule la potencia de 
salida (máxima) de la turbina que gira. c) La turbina es un componente de un modelo de máquina 
de turbina de gas a ciclo cerrado. Calcule la máxima eficiencia de la maquina. 
 
Problema 12: ¿Cual es el coeficiente de realización de un refrigerador que funciona con eficiencia 
de Carnot entre las temperaturas -3 °C y -27 °C? 
 
Problema 13: ¿Cual es el máximo coeficiente de realización posible de una bomba de calor que toma 
energía del exterior a -3 °C dentro de una casa a 22 °C?. Nota: El trabajo realizado para que funcione 
la bomba de calor también está disponible para calentar la casa. 
 
Problema 14: Un congelador ideal (Carnot) en una cocina tiene una temperatura constante de 260 
K, mientras que el aire en la cocina tiene una temperatura constante de 300 K. Suponga que el 
aislamiento para el congelador no es perfecto y conduce energía al congelador en una cantidad de 
0.15 W. Determine la potencia promedio requerida para que el motor del congelador mantenga la 
temperatura constante en el congelador. 
 
Problema 15: Un laboratorio de biología se mantiene a una temperatura constante de 7 °C mediante 
un acondicionador de aire, que da salida al aire exterior. En un típico día caluroso de verano, la 
temperatura exterior es de 27 °C y la unidad de acondicionamiento de aire emite energía al exterior 
en una cantidad de 10 kW. Modele la unidad que tiene un coeficiente de realización igual a 40 % del 
coeficiente de realización de un dispositivo ideal de Carnot. a) ¿Con que rapidez el acondicionador 
de aire retira energía del laboratorio?. b) Calcule la potencia requerida para la entrada de trabajo. 
c) Que pasaría si la temperatura exterior aumenta a 32 °C. Encuentre el cambio fraccionario en el 
coeficiente de realización del acondicionador de aire. 
 
Problema 16: En 1816 Robert Stirling, un clérigo escocés, patento el motor Stirling, que desde 
entonces encontró gran variedad de aplicaciones. El combustible se quema externamente para 
calentar uno de los dos cilindros del motor. Una cantidad fija de gas inerte se mueve cíclicamente 
entre los cilindros y se expande en el caliente y se contrae en el frio. La siguiente figura representa 
un modelo de su ciclo termodinámico. Considere n moles de un gas ideal monoatómico que circula 
una vez por el ciclo, que consiste de dos procesos isotérmicos a temperaturas 3Ti y Ti y dos procesos 
a volumen constante. Determine, en términos de n, R y Ti, a) la energía neta transferida por calor al 
gas, y b) la eficiencia del motor. Un motor Stirling es más fácil de fabricar que un motor de 
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combustión interna o una turbina. Puede funcionar con la quema de basura o con la energía de la 
luz solar y no producir materiales de descarga.