PROBLEMAS RESUELTOS SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA
Segunda ley de la termodinámica y depósitos de energía térmica
6-1C Un mecánico afirma haber desarrollado un motor de automóvil que funciona con agua en lugar de gasolina.
¿Cuál es su respuesta a esta afirmación?
6-1C Water is not a fuel; thus the claim is false.
6-2C Describa un proceso imaginario que satisfaga la primera ley pero que viole la segunda ley de la
termodinámica.
6-2C Transferring 5 kWh of heat to an electric resistance wire and producing 5 kWh of electricity.
6-3C Describa un proceso imaginario que satisface la segunda ley de la termodinámica, pero viola la primera.
6-3C An electric resistance heater which consumes 5 kWh of electricity and supplies 6 kWh of heat to a room.
6-4C Describa un proceso imaginario que viola tanto la primera como la segunda ley de la termodinámica.
6-4C Transferring 5 kWh of heat to an electric resistance wire and producing 6 kWh of electricity.
6-5C Un experimentador afirma haber elevado a 150ºC la temperatura de una pequeña cantidad de agua mediante
la transferencia de calor de vapor de alta presión a 120ºC. ¿Es razonable esta afirmación? ¿Por qué? Suponga que
en este proceso no se emplea ningún refrigerador o bomba de calor.
6-5C No. Heat cannot flow from a low-temperature medium to a higher temperature medium.
6-6C ¿Qué es un depósito de energía térmica? Dé algunos ejemplos.
6-6C A thermal-energy reservoir is a body that can supply or absorb finite quantities of heat isothermally. Some
examples are the oceans, the lakes, and the atmosphere.
6-7C Considere el proceso de hornear papas en un horno común. ¿Se puede tratar el aire del horno como un
depósito de energía térmica? Explique.
6-7C Yes. Because the temperature of the oven remains constant no matter how much heat is transferred to the
potatoes.
6-8C Considere la energía que genera un aparato de televisión. ¿Cuál es una elección adecuada para un depósito de
energía térmica?
6-8C The surrounding air in the room that houses the TV set.
Máquinas térmicas y eficiencia térmica
6-9C ¿Es posible que una máquina térmica opere sin rechazar ningún calor de desecho hacia un depósito de baja
temperatura?
Explique.
6-9C No. Such an engine violates the Kelvin-Planck statement of the second law of thermodynamics.
6-10C ¿Cuáles son las características de las máquinas térmicas?
6-10C Heat engines are cyclic devices that receive heat from a source, convert some of it to work, and reject the
rest to a sink.
6-11C Considere un recipiente con agua que se calienta a) colocándolo sobre una estufa eléctrica y b) colocando
un elemento de calentamiento dentro del agua. ¿Cuál método es una forma más eficaz para calentar agua?
Explique.
6-11C Method (b). With the heating element in the water, heat losses to the surrounding air are minimized, and
thus the desired heating can be achieved with less electrical energy input.
6-12C Los calentadores de tablero son básicamente de resistencia eléctrica y se usan con frecuencia en la
calefacción de espacios. El dueño de una casa afirma que los calentadores de tablero de 5 años de antigüedad
tienen una eficiencia de conversión de 100 por ciento. ¿Esta afirmación viola alguna de las leyes de la
termodinámica? Explique.
6-12C No. Because 100% of the work can be converted to heat.
6-13C ¿Cuál es la expresión de Kelvin-Planck de la segunda ley de la termodinámica?
6-13C It is expressed as “No heat engine can exchange heat with a single reservoir, and produce an equivalent
amount of work”.
6-14C ¿Una máquina térmica que tiene una eficiencia de 100 por ciento viola necesariamente a) la primera ley y b)
la segunda ley de la termodinámica? Explique.
6-14C (a) No, (b) Yes. According to the second law, no heat engine can have an efficiency of 100%.
6-15C En ausencia de fricción y otras irreversibilidades, ¿una máquina térmica puede tener una eficiencia de 100
por ciento? Explique.
6-15C No. Such an engine violates the Kelvin-Planck statement of the second law of thermodynamics.
6-16C ¿Las eficiencias de los dispositivos que producen trabajo, incluidas las centrales hidroeléctricas, están
limitadas por el enunciado de Kelvin-Planck de la segunda ley? Explique.
6-16C No. The Kelvin-Plank limitation applies only to heat engines; engines that receive heat and convert some of
it to work.
6-17 Una central eléctrica de vapor de 600 MW, que se enfría mediante un río cercano, tiene una eficiencia térmica
de 40 por ciento. Determine la tasa de transferencia de calor hacia el agua del río. ¿La tasa de transferencia de calor
real será mayor o menor que este valor? ¿Por qué?
6-18 Una central eléctrica de vapor recibe calor de un horno a una tasa de 280 GJ/h. Cuando el vapor pasa por
tubos y otros componentes las pérdidas de calor hacia el aire circundante desde el vapor se estiman en alrededor de
8 GJ/h. Si el calor de desecho se transfiere al agua de enfriamiento a una tasa de 145 GJ/h, determine a) la salida de
potencia neta y b) la eficiencia térmica de esta planta de potencia. Respuestas:
Respuestas: a) 35.3 MW, b) 45.4 por ciento
6-19E Un motor de automóvil con una salida de potencia de 110 hp tiene una eficiencia térmica de 28 por ciento.
Determine la tasa de consumo de combustible si el poder calórico del combustible es de 19 000 Btu/lbm.
6-20 Una central eléctrica de vapor con una salida de potencia de 150 MW consume carbón mineral a una tasa de
60 toneladas/h. Si el poder calórico del carbón mineral es de 30 000 kJ/kg, determine la eficiencia global de la
central.
Respuesta: 30.0 por ciento
6-21 Un motor de automóvil consume combustible a razón de 28 L/h y entrega a las ruedas 60 kW de potencia. Si
el combustible tiene un poder calórico de 44 000 kJ/kg y una densidad de 0.8 g/cm3, determine la eficiencia de este
motor.
Respuesta: 21.9 por ciento
6-22E La energía solar almacenada en los grandes cuerpos de agua, denominados estanques solares, se emplea para
generar electricidad. Si una central de energía solar tiene una eficiencia de 4 por ciento y una salida neta de
potencia de 350 kW, determine en Btu/h el valor promedio de la tasa requerida de recolección de energía solar.
6-23 En 2001, 51 por ciento de la electricidad consumida en Estados Unidos, equivalente a 1.878 x1012 kWh, se
obtuvo de centrales eléctricas alimentadas con carbón mineral. Si se considera que la eficiencia térmica promedio
es de 34 por ciento, determine la cantidad de energía térmica cedida hacia el ambiente por este tipo de centrales en
Estados Unidos durante ese año.
6-28 Una central eléctrica de vapor alimentada con carbón mineral produce una potencia neta de 300 MW con una
eficiencia térmica global de 32 por ciento. La relación gravimétrica real entre el aire y el combustible en el horno
se calcula como 12 kg de aire/kg de combustible, y el poder calórico del carbón es de 28 000 kJ/kg. Determine a)
la cantidad de carbón que se consume durante un periodo de 24 h y b) el flujo másico de aire que fluye por el
horno.
Respuestas: a) 2.89 _ 106 kg, b) 402 kg/s
Refrigeradores y bombas de calor
6-29C ¿Cuál es la diferencia entre un refrigerador y una bomba de calor?
6-28C The difference between the two devices is one of purpose. The purpose of a refrigerator is to
remove heat from a cold medium whereas the purpose of a heat pump is to supply heat to a warm medium.
6-30C ¿Cuál es la diferencia entre un refrigerador y un acondicionador de aire?
6-29C The difference between the two devices is one of purpose. The purpose of a refrigerator is to
remove heat from a refrigerated space whereas the purpose of an air-conditioner is to remove heat from a
living space.
6-31C En un refrigerador el calor se transfiere de un medio de menor temperatura (el espacio refrigerado) hacia
otro de mayor temperatura (el aire de la cocina). ¿Ésta es una violación de la segunda ley de la termodinámica?
Explique.
6-30C No. Because the refrigerator consumes work to accomplish this task.
6-32C Una bomba de calor es un dispositivo que absorbe energía desde el aire exterior frío y lo transfiere hacia el
calentador ubicado en los interiores. ¿Viola esto la segunda ley de la termodinámica? Explique.
6-31C No. Because the heat pump consumes work to accomplish this task.
6-33C Defina con palabras el coeficiente de desempeño de un refrigerador. ¿Puede ser mayor que la unidad?
6-32C The coefficient of performance of a refrigerator represents the amount of heat removed from the
refrigerated space for each unit of work supplied. It can be greater than unity.
6-34C Defina con palabras el coeficiente de desempeño de una bomba de calor. ¿Puede ser mayor que la unidad?
6-33C The coefficient of performance of a heat pump represents the amount of heat supplied to the
heated space for each unit of work supplied. It can be greater than unity.
6-35C Una bomba de calor que se utiliza para calentar una casa tiene un COP de 2.5, es decir, la bomba de calor
entrega 2.5 kWh de energía a la casa por cada kWh de electricidad que consume. ¿Viola esto la primera ley de la
termodinámica? Explique.
6-34C No. The heat pump captures energy from a cold medium and carries it to a warm medium. It does
not create it.
6-36C Un refrigerador tiene un COP de 1.5, es decir, elimina 1.5 kWh de energía del espacio refrigerado por cada
kWh de electricidad que consume. ¿Viola esto la primera ley de la termodinámica? Explique.
6-35C No. The refrigerator captures energy from a cold medium and carries it to a warm medium. It does
not create it.
6-37C ¿Cuál es la expresión de Clausius para la segunda ley de la termodinámica?
6-36C No device can transfer heat from a cold medium to a warm medium without requiring a heat or
work input from the surroundings.
6-38C Demuestre que son equivalentes los enunciados de Kelvin-Planck y de Clausius de la segunda ley.
6-37C The violation of one statement leads to the violation of the other one, as shown in Sec. 6-4, and
thus we conclude that the two statements are equivalent.
6-39 Un refrigerador doméstico con un COP de 1.2 remueve calor del espacio refrigerado a una tasa de 60 kJ/min.
Determine a) la potencia eléctrica que consume el refrigerador y b) la tasa de transferencia de calor hacia el aire de
la cocina.
Respuestas: a) 0.83 kW, b) 110 kJ/min
6-40 Un acondicionador de aire remueve calor en régimen permanente desde un hogar a una tasa de 750 kJ/min
mientras consume potencia eléctrica a una tasa de 6 kW. Determine a) el COP de este acondicionador de aire y b)
la tasa de transferencia de calor hacia el aire exterior.
Respuestas: a) 2.08, b) 1 110 kJ/min
6-41 Un refrigerador doméstico funciona una cuarta parte del tiempo y remueve calor de un compartimiento de
alimentos a una tasa promedio de 800 kJ/h. Si el COP del refrigerador es 2.2, determine la potencia que consume el
refrigerador cuando está en funcionamiento.
6-42E El agua entra a una máquina de hielo a 55ºF y sale como hielo a 25ºF. Si el COP de la máquina de hielo es
2.4 durante esta operación, determine la entrada de potencia requerida para una tasa de producción de hielo de 28
lbm/h. (Es necesario eliminar 169 Btu de energía de cada lbm de agua a 55ºF para convertirla en hielo a 25ºF.)
6-43 Un refrigerador doméstico que tiene una entrada de potencia de 450 W y un COP de 2.5 enfriará a 8ºC cinco
sandías grandes de 10 kg cada una. Si las frutas están inicialmente a 20ºC, determine cuánto tarda el refrigerador en
enfriarlas. Las sandías se pueden considerar como agua cuyo calor específico es de 4.2 kJ/kg · ºC. ¿Su respuesta es
real u optimista? Explique por qué. Respuesta: 2 240 s
6-54 Al condensador de una bomba de calor residencial entra refrigerante 134a a 800 kPa y 35ºC a una tasa de
0.018 kg/s, y sale a 800 kPa como líquido saturado. Si el compresor consume 1.2 kW de potencia, determine a) el
COP de la bomba de calor y b) la tasa de absorción de calor desde el aire exterior.
6-55 A los serpentines del evaporador colocados detrás de la sección del congelador de un refrigerador doméstico
entra refrigerante 134a a 120 kPa con una calidad de 20 por ciento y sale a 120 kPa y -20ºC. Si el compresor
consume 450 W de potencia y el COP del refrigerador es 1.2, determine a) el flujo másico del refrigerante y b) la
tasa del calor cedido al aire de la cocina. Respuestas: a) 0.00311 kg/s, b) 990 W