Explique por qué en la realidad no puede fabricarse una máquina idealmente perfecta (ciento por ciento eficiente).
Respuestas a la pregunta
Respuesta: 1 Ejemplo de máquina térmica
Una máquina térmica consume 240 kg de carbón por hora, siendo el poder calorífico de este combustible de 13.0\times10^3 kcal/kg. Si la máquina tiene un rendimiento del 25% calcule el trabajo suministrado por la máquina y el calor cedido al foco frío en una hora
Solución
2 Rendimiento de un ciclo recorrido por un gas ideal
Un gas ideal diatómico recorre el siguiente ciclo: partiendo del el estado de coordenadas, V = 4.00 \,\mathrm{l}, P = 4.00\,\mathrm{atm}, T = 600\,\mathrm{K}, se dilata isotérmicamente hasta duplicar su volumen. Después se comprime a presión constante hasta su volumen inicial. Finalmente se calienta a volumen constante hasta que alcanza la presión original. Calcule el rendimiento del ciclo.
Solución
3 Sobrecoste originado por la luz de un frigorífico
El interruptor de la luz interior de un frigorífico está estropeado, de modo que la luz está siempre encendida. La luz interior consume una potencia de 40.0 W. Si la eficiencia del frigorífico es 1.3, y el coste de la electricidad es de 11.0 céntimos por kWh, calcule el incremento en el consumo del frigorífico y el coste añadido por año si no se arregla el interruptor.
Solución
4 Rendimiento de aparatos hipotéticos
Un inventor mantiene que ha desarrollado una máquina térmica que recibe 700 kJ de calor desde un foco térmico a 500 K y produce 300 kJ de trabajo neto transfiriendo el calor sobrante a un foco térmico a 290 K. ¿Es razonable?
Nuestro inventor vuelve a la carga, esta vez con un refrigerador que, asegura, mantiene el espacio refrigerado a 2°C mientras el ambiente se encuentra a 24°C, teniendo una eficiencia de 13.5. ¿Le hacemos caso?
Solución
5 Rendimiento de una máquina térmica real
Una máquina térmica que funciona entre 200°C y 80.0°C alcanza un 20.0% de su rendimiento teórico máximo. ¿Cuanta energía debe absorber para realizar 10.0 kJ de trabajo?
Solución
6 Ejemplo de frigorífico de Carnot
Una máquina frigorífica de las que se emplean para fabricar hielo funciona segín un ciclo de Carnot reversible absorbiendo calor de un tanque de agua a 0.00°C y cediéndolo al aire en el interior de un local que se mantiene a 26.0°C. La máquina fabrica 223 kg de hielo en un día. Calcule el trabajo consumido y el calor cedido al aire.
Solución
7 Rendimiento de un aparato de aire acondicionado
Para refrescar una habitación se emplea un aparato de aire acondicionado con un coeficiente de despeño (COP o η) de 4. El exterior se encuentra a 34°C mientras que el interior del despacho se mantiene a 24°C. El despacho, que esta vacío, tiene una ventana de vidrio por la cual entra calor desde el exterior.
Si el calor que entra por la ventana en la unidad de tiempo es Q=4224\,\mathrm{W}, calcule el trabajo por segundo (potencia) que debe realizar el aparato para mantener la temperatura interior y la cantidad de calor que es arrojada al exterior.
Determine el COP máximo que podría tener un aparato de aire acondicionado que operara entre estas dos temperaturas.
Halle la potencia mínima que se requeriría para extraer la misma cantidad de calor por segundo, así como la potencia extra que requiere el aparato real.
Demuestre que el calor que entra por segundo en la habitación coincide con el valor dado en el primer apartado, si las dimensiones de la ventana son de 5 mm de espesor, 160 cm de ancho y 120 cm de alto. La conductividad calorífica del vidrio es k = 1.1\,\mathrm{W}/(\mathrm{m}\cdot\mathrm{K}).
Si se sustituye el cristal por uno doble, formado por dos láminas de vidrio como la anterior, entre las cuales hay una capa de aire de 2 cm de espesor, con una conductividad térmica efectiva k'= 0.025\,\mathrm{W}/(\mathrm{m}\cdot\mathrm{K}), ¿cómo cambian los resultados anteriores?
Solución
8 Variación de entropía en el paso de hielo a vapor
Calcule la variación de entropía de un bloque de hielo de 27.0 g a −12.0°C cuando pasa reversiblemente al estado de vapor a 115°C, a presión constante.
Datos: cp (vapor) = 2.08 kJ/kg K, cp (agua) = 4.18 kJ/kg K, cp (hielo) = 2.11 kJ/kg K, Lf = 333.53 J/g, Lv=2257 J/g
Solución
9 Inmersión de un bloque metálico en agua
Un bloque de cobre de 50 kg a 80°C se deja caer en un tanque aislado adiabáticamente que contiene 120 l de agua a 25°C. Determine la temperatura final de equilibrio y la variación total del entropía.
Dato: cp(cobre) = 0.095 cal/g·K.
Solución
10 Comparación de dos variaciones de entropía
Calcule la variación de entropía en las dos situaciones siguientes:
100 ml de agua a 80°C son vertidos en un tanque de agua a 20°C.
100 ml de agua a 20°C son vertidos en un tanque de agua a 80°C.
Suponga que la presión es la atmosférica en todo momento.
Explicación: