8fds

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8-25E Un congelador se mantiene a una temperatura especificada mediante la eliminación de calor de ella a una velocidad especificada. La se da el consumo de energía del congelador. La potencia reversible, irreversible, y la segunda ley eficiencia son por determinar. Análisis (a) El trabajo reversible es el trabajo mínimo requerido para realizar esta tarea, que es el funciona de esa nevera reversible que opera entre los límites de temperatura especificados consumiría, 8.73 535/480 1 1 / 1 COP 1 R, rev = - = - = TH TL CV = 0,20 ⎟⎠ ⎜⎝ = = ⎛ 42.41 BTU / min 1 hp 8.73 75 Btu / min

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dsfsd

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8-25E Un congelador se mantiene a una temperatura especificada mediante la eliminacioacuten de calor de ella a una velocidad especificada La

se da el consumo de energiacutea del congelador La potencia reversible irreversible y la segunda ley

eficiencia son por determinar

Anaacutelisis (a) El trabajo reversible es el trabajo miacutenimo requerido para realizar esta tarea que es el

funciona de esa nevera reversible que opera entre los liacutemites de temperatura especificados consumiriacutea

873

535480 1

1

1

COP 1 R rev =

-

=

-

=

TH TL

CV = 020 ⎟⎠⎞⎜⎝= = ⎛4241 BTU min

1 hp

873

75 Btu min

R rev

rev en la COP

Q

W L

Y

Y

(B) La irreversibilidad es la diferencia entre el reversible

trabajar y el trabajo eleacutectrico real consumida

I amp = W amp u en -W y rev en = 070-020 = 050 CV

(C) La segunda ley de la eficiencia se determina a partir de su definicioacuten

8-26 Se ha de mostrado que la energiacutea producida por una turbina de viento es proporcional al cubo del viento

la velocidad y el cuadrado del diaacutemetro envergadura de la pala

Anaacutelisis de la energiacutea producida por una turbina de viento es proporcional a la energiacutea cineacutetica del viento que es

igual al producto de la energiacutea cineacutetica del aire por unidad de masa y la tasa de flujo de masa de aire a traveacutes de la

aacuterea de separacioacuten de hoja Por lo tanto

3 2

3 2

viento

2 2

viento

2

viento

(Constante)

8

2 4

()

2

=

La energiacutea eoacutelica = (Eficiencia) (energiacutea cineacutetica) (velocidad de flujo de masa de aire)

V D V D

V

V D V AV

= =

=

π

η ρ

π

η ρ η ρ

que completa la prueba de que la energiacutea eoacutelica es proporcional al cubo de la velocidad del viento y a la

cuadrado del diaacutemetro envergadura de la pala

0827 Una energiacutea geoteacutermica produce 14 MW de potencia mientras que la destruccioacuten de exergiacutea en la planta es de 185 MW

La exergiacutea del agua geoteacutermica que entra a la planta la eficiencia de segunda ley de la planta y la

exergiacutea del calor rechazado de la planta deben ser determinados

Existen Supuestos 1 Steady condiciones de funcionamiento 2 cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 3

Propiedades del agua se utilizan para el agua geoteacutermica

Anaacutelisis (a) Las propiedades del agua geoteacutermica en la entrada de la planta y en el estado son muertos (Tablas A-

4 a traveacutes de A-6)

036723 kJ kgK

10483 kJ kg

0

25 C

19426 kJ kgK

67547 kJ kg

0

160 C

0

0

0

0

1

1

1

1

=

=⎭ ⎬ ⎫=

= deg

=

=⎭ ⎬ ⎫=

= deg

s

h

X

T

s

h

X

T

La exergiacutea de agua geoteacutermica de entrar en la planta es

[]

[]

= = 4453MW

= - + - + -

= - - -

44525 kW

(440 kg s) (67547 10483) kJ kg 0 (25 273 K) (19426 036723) kJ kgK

X amp Y en m h1 T0 h0 (s1 s0

(B) La eficiencia de segunda ley de la planta es la relacioacuten entre la energiacutea producida a la entrada a la planta de exergiacutea

= = = 0314

44525 kW

14000 kW

en

fuera

X

W

II y

Y

η

(C) la exergiacutea del calor rechazado desde la planta puede determinarse a partir de un balance de exergiacutea en la planta

X amp calor salida = X amp en -W y por fuera - X amp dest = 44525 -14000 -18500 = 12025 kW = 1203MW

8-28C Siacute

8-29C Siacute se puede Por ejemplo la primera ley de la eficiencia de un motor de calor reversible que opera entre la

liacutemites de temperatura de 300 K y 1000 K es 70 Sin embargo la segunda ley de la eficiencia de este motor como

todos los dispositivos reversibles es 100

8-30E aire se expande en un sistema cerrado adiabaacutetico con un rendimiento isoentroacutepico de 95 La segunda ley

la eficiencia del proceso es que se determine

Hipoacutetesis 1 cineacutetica y cambios de energiacutea potencial son despreciables 2 El proceso es adiabaacutetico y por lo tanto

no hay transferencia de calor 3 El aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades de las propiedades del aire a temperatura ambiente son cp = 0240 BTU lbm bull R CV = 0171 BTU lbm bull R k =

14 y R = 006855 Btu lbm bull R (Tabla A-2EA)

Anaacutelisis Tomamos el aire cuando el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa cruza los liacutemites de la

sistema El balance de energiacutea para este sistema se puede expresar como

Hacia fuera (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

- B = Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

La temperatura final para el caso es isentroacutepico

2901 R

150 psia

(560 R) 15 psia

(1) 04 14

1

2

1 2 = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛= ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛=

k k-

s P

P

T T

La temperatura de salida real de la relacioacuten isoentroacutepica es

2 1 (1 2) 560 (095) (560 2901) 3036 R

1 2s

1 2

= - - = - - =

-

-

=

T T T T s

T T

T T

η

η

La salida de trabajo de frontera es

wb fuera = cv (T1 -T2) = (0171 BTU lbmsdotR) (560 a 3036) R = 4384 Btu lbm

El cambio de entropiacutea del aire es

001091 Btu lbm R

150 psia

(006855 Btu lbm R) En 15 psia

560 R

(0240 Btu lbm R) ln 3036 R

ln ln

1

2

1

2

aire

= sdot= sdot - sdotΔ = -

P

P

R

T

T

s c p

La diferencia exergiacutea entre los estados 1 y 2 es

3307 Btu lbm

(537 R) (001091 Btu lbm R)

15 psia

3036 R

150 psia

4384 Btu lbm (147 psia) (006855 Btu lbm R) 560 R

() ()

() ()

0 1 2

2

2

1

1

1 2 0

1 2 1 2 0 1 2 0 1 2

=sdot - - ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= + sdot -- - ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - + -

- = - + - - -

T s s

P

T

P

c T T P R T

u u P T s s

v

φ φ v v

El trabajo uacutetil se determina a partir

2721 Btu lbm

150 psia

560 R

15 psia

4384 Btu lbm (147 psia) (006855 Btu lbm R) 3036 R

() () ()

1

1

2

2

Fuera surr 1 2 0 2 1 1 2 0

=⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - sdot -⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - = - - - = - - -

P

T

P

w w w c T T T T P c P R T U B v v v v

La segunda ley es la eficiencia a continuacioacuten

= = 0823

Se consideran 8-31E aire y helio a estados especificados El gas con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Hipoacutetesis 1 cineacutetica y cambios de energiacutea potencial son despreciables 2 Aire y el helio son gases ideales con

calores especiacuteficos constantes

Propiedades de las propiedades del aire a temperatura ambiente son cp = 0240 BTU lbm bull R CV = 0171 BTU lbm bull R k =

14 y R = 006855 Btu lbm bull R = 03704 psiasdotft3 lbm bull R Para el helio cp = 125 Btu lbm bull R cv = 0753

Btu lbm bull R k = 1667 y R = 04961 Btu lbm bull R = 26809 psiasdotft3 lbm bull R (Tabla A-2E)

Anaacutelisis de la masa de aire en el sistema es

3552 lbm

(03704 psia pies lbm R) (R 760)

(100 psia) (10 ft)

3

3

=sdot sdot= =

RT

m PV

El cambio de entropiacutea de aire entre el estado dado y el estado muerto es

004808 Btu lbm R

147 psia

(006855 Btu lbm R) En 100 psia

537 R

(0240 Btu lbm R) En 760 R

ln ln

0 0

0

= - sdot

= sdot - sdot- = -

P

R P

T

s s c Tp

Voluacutemenes especiacuteficos del aire en el estado dado y el estado son muertos

2815 pies lbm

100 psia

(03704 psia pies lbm R) (760 R) 3

3

=sdot sdot= =

P

RT v

1353 pies lbm

147 psia

(03704 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

La exergiacutea especiacutefica sistema cerrado en el aire es entonces

3480 Btu lbm

(537 R) (004808) Btu lbm R

5404 pies psia

(0171 Btu lbm R) (300 77) R (147 psia) (2815 1353) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

La exergiacutea total disponible en el aire para la produccioacuten de trabajo es entonces

Φ = mφ = (3552 lbm) (3480 Btu lbm) = 1236 BTU

Ahora repetimos los caacutelculos para el helio

09043 lbm

(26809 psia pies lbm R) (R 660)

(80 psia) (20 pies)

3

3

=sdot sdot= =

RT

m PV

05827 Btu lbm R

147 psia

(04961 Btu lbm R) En 80 psiav

9793 pies lbm

147 psia

(26809 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

1993 Btu lbm

(537 R) (05827) Btu lbm R

5404 pies psia

(0753 Btu lbm R) (200 77) R (147 psia) (2212 9793) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

Φ = mφ = (09043 lbm) (1993 Btu lbm) = 1802 BTU

Comparacioacuten de los dos resultados muestra que el sistema de helio tiene un mayor potencial para la produccioacuten de trabajo

8-32 de vapor y R-134a en los mismos estados son considerados El fluido con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Supuestos cineacuteticos y los cambios de energiacutea potencial son despreciables

Anaacutelisis Las propiedades del agua en el estado dado y en el estado son muertos

(Tabla A- 4)

03672 kJ kg K

0001003 m kg

10483 kJ kg

100 kPa

25 C

(Tabla A- 6)

67155 kJ kg K

024720 m kg

25947 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

La exergiacutea de vapor es

[]

= 6227 kJ⎥ ⎥ ⎥ ⎦⎤⎢ ⎢ ⎢

⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (67155 03672) kJ kg K

1 kPa m

(25947 10483) kJ kg (100 kPa) (024720 0001003) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Para R-134a

(Cuadro A-11)

032432 kJ kg K

00008286 m kg

8585 kJ kg

100 kPa

25 C

(Cuadro A-13)

13327 kJ kg K

0044554 m kg

38699 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

[]

= 502 kJ⎥ ⎥ ⎥⎦⎤⎢ ⎢ ⎢⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (13327 032432) kJ kg K

1 kPa m

(38699 8585) kJ kg (100 kPa) (0044554 00008286) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Por tanto el vapor puede tiene maacutes potencial de trabajo que el R-134a

la entrada de un trabajo uacutetil se mide La exergiacutea del aire en los estados inicial y final y el miacutenimo

trabajar de entrada para llevar a cabo este proceso de compresioacuten y la eficiencia de segunda ley se determinaraacuten

Hipoacutetesis 1 del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes 2 Las energiacuteas cineacutetica y potencial son

insignificante

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kPam3 kgK (Tabla A-1) Los calores especiacuteficos de aire en el

temperatura promedio de (298 + 423) 2 = 360 K son cp = 1009 kJ kg bull K y cv = 0722 kJ kg bull K (Tabla A-2)

Anaacutelisis (a) Se da cuenta de que X1 = Φ1 = 0 ya que el aire inicialmente estaacute en el estado muerto La masa de aire es

000234 kg

(0287 kPa m kg K) (298 K)

(100 kPa) (0002 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Tambieacuten

(2 L) = 0473 L

(600 kPa) (298 K)

(100 kPa) (423 K)

1

2 1

1 2

2

1

1 1

2

2 2 = ⎯⎯ rarr V = V =

V V

P T

P T

T

P

T

P

y

01608 kJ kg K

100 kPa

(0287 kJ kg K) ln 600 kPa

298 K

(1009 kJ kg K) En 423 K

ln ln

0

2

0

2

2 0 avg

= - sdot= sdot - sdot- = -

P

P

R

T

T

s s c p

Por lo tanto la exergiacutea de aire en el estado final es

[]

[]

= 0171kJ

+ sdot= sdot sdot= Φ = - - - + -

(100 kPa) (0000473- 0002) m [kJ m kPa]

(000234 kg) (0722 kJ kg K) (423- 298) K - (298 K) (- 01608 kJ kg K)

() () ()

3 3

X 2 m 2 cv avg T2 T0 T0 s2 P0 s0 V 2 V 0

(B) La entrada miacutenima de trabajo es el insumo trabajo reversible que puede ser determinada a partir de la exergiacutea

equilibrar mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

- = 0171kJ

= -

- - = Δ

= 0171 0

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

(C) La eficiencia de segunda ley de este proceso es

= = = 143

8-34 Un cilindro se llena inicialmente con R-134a en un estado especificado El refrigerante se enfriacutea y se condensa

a presioacuten constante La exergiacutea del refrigerante en los estados inicial y final y la exergiacutea destruida

durante este proceso son que se determine

Supuestos Las energiacuteas cineacutetica y potencial son despreciables

Propiedades de las tablas de refrigerante (Tablas A-11 a A-13)

10256 kJ kg K

27401 kJ kg

0034875 m kg

60 C

07 MPa

1

1

3

1

1

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

= 031958 kJ kg K

= 8444 kJ kg

= 00008261 m kg

24 C

07 MPa

2 24 C

2 24 C

3

2 24 C

2

2cong sdot

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 2: 8fds

Y

(B) La irreversibilidad es la diferencia entre el reversible

trabajar y el trabajo eleacutectrico real consumida

I amp = W amp u en -W y rev en = 070-020 = 050 CV

(C) La segunda ley de la eficiencia se determina a partir de su definicioacuten

8-26 Se ha de mostrado que la energiacutea producida por una turbina de viento es proporcional al cubo del viento

la velocidad y el cuadrado del diaacutemetro envergadura de la pala

Anaacutelisis de la energiacutea producida por una turbina de viento es proporcional a la energiacutea cineacutetica del viento que es

igual al producto de la energiacutea cineacutetica del aire por unidad de masa y la tasa de flujo de masa de aire a traveacutes de la

aacuterea de separacioacuten de hoja Por lo tanto

3 2

3 2

viento

2 2

viento

2

viento

(Constante)

8

2 4

()

2

=

La energiacutea eoacutelica = (Eficiencia) (energiacutea cineacutetica) (velocidad de flujo de masa de aire)

V D V D

V

V D V AV

= =

=

π

η ρ

π

η ρ η ρ

que completa la prueba de que la energiacutea eoacutelica es proporcional al cubo de la velocidad del viento y a la

cuadrado del diaacutemetro envergadura de la pala

0827 Una energiacutea geoteacutermica produce 14 MW de potencia mientras que la destruccioacuten de exergiacutea en la planta es de 185 MW

La exergiacutea del agua geoteacutermica que entra a la planta la eficiencia de segunda ley de la planta y la

exergiacutea del calor rechazado de la planta deben ser determinados

Existen Supuestos 1 Steady condiciones de funcionamiento 2 cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 3

Propiedades del agua se utilizan para el agua geoteacutermica

Anaacutelisis (a) Las propiedades del agua geoteacutermica en la entrada de la planta y en el estado son muertos (Tablas A-

4 a traveacutes de A-6)

036723 kJ kgK

10483 kJ kg

0

25 C

19426 kJ kgK

67547 kJ kg

0

160 C

0

0

0

0

1

1

1

1

=

=⎭ ⎬ ⎫=

= deg

=

=⎭ ⎬ ⎫=

= deg

s

h

X

T

s

h

X

T

La exergiacutea de agua geoteacutermica de entrar en la planta es

[]

[]

= = 4453MW

= - + - + -

= - - -

44525 kW

(440 kg s) (67547 10483) kJ kg 0 (25 273 K) (19426 036723) kJ kgK

X amp Y en m h1 T0 h0 (s1 s0

(B) La eficiencia de segunda ley de la planta es la relacioacuten entre la energiacutea producida a la entrada a la planta de exergiacutea

= = = 0314

44525 kW

14000 kW

en

fuera

X

W

II y

Y

η

(C) la exergiacutea del calor rechazado desde la planta puede determinarse a partir de un balance de exergiacutea en la planta

X amp calor salida = X amp en -W y por fuera - X amp dest = 44525 -14000 -18500 = 12025 kW = 1203MW

8-28C Siacute

8-29C Siacute se puede Por ejemplo la primera ley de la eficiencia de un motor de calor reversible que opera entre la

liacutemites de temperatura de 300 K y 1000 K es 70 Sin embargo la segunda ley de la eficiencia de este motor como

todos los dispositivos reversibles es 100

8-30E aire se expande en un sistema cerrado adiabaacutetico con un rendimiento isoentroacutepico de 95 La segunda ley

la eficiencia del proceso es que se determine

Hipoacutetesis 1 cineacutetica y cambios de energiacutea potencial son despreciables 2 El proceso es adiabaacutetico y por lo tanto

no hay transferencia de calor 3 El aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades de las propiedades del aire a temperatura ambiente son cp = 0240 BTU lbm bull R CV = 0171 BTU lbm bull R k =

14 y R = 006855 Btu lbm bull R (Tabla A-2EA)

Anaacutelisis Tomamos el aire cuando el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa cruza los liacutemites de la

sistema El balance de energiacutea para este sistema se puede expresar como

Hacia fuera (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

- B = Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

La temperatura final para el caso es isentroacutepico

2901 R

150 psia

(560 R) 15 psia

(1) 04 14

1

2

1 2 = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛= ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛=

k k-

s P

P

T T

La temperatura de salida real de la relacioacuten isoentroacutepica es

2 1 (1 2) 560 (095) (560 2901) 3036 R

1 2s

1 2

= - - = - - =

-

-

=

T T T T s

T T

T T

η

η

La salida de trabajo de frontera es

wb fuera = cv (T1 -T2) = (0171 BTU lbmsdotR) (560 a 3036) R = 4384 Btu lbm

El cambio de entropiacutea del aire es

001091 Btu lbm R

150 psia

(006855 Btu lbm R) En 15 psia

560 R

(0240 Btu lbm R) ln 3036 R

ln ln

1

2

1

2

aire

= sdot= sdot - sdotΔ = -

P

P

R

T

T

s c p

La diferencia exergiacutea entre los estados 1 y 2 es

3307 Btu lbm

(537 R) (001091 Btu lbm R)

15 psia

3036 R

150 psia

4384 Btu lbm (147 psia) (006855 Btu lbm R) 560 R

() ()

() ()

0 1 2

2

2

1

1

1 2 0

1 2 1 2 0 1 2 0 1 2

=sdot - - ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= + sdot -- - ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - + -

- = - + - - -

T s s

P

T

P

c T T P R T

u u P T s s

v

φ φ v v

El trabajo uacutetil se determina a partir

2721 Btu lbm

150 psia

560 R

15 psia

4384 Btu lbm (147 psia) (006855 Btu lbm R) 3036 R

() () ()

1

1

2

2

Fuera surr 1 2 0 2 1 1 2 0

=⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - sdot -⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - = - - - = - - -

P

T

P

w w w c T T T T P c P R T U B v v v v

La segunda ley es la eficiencia a continuacioacuten

= = 0823

Se consideran 8-31E aire y helio a estados especificados El gas con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Hipoacutetesis 1 cineacutetica y cambios de energiacutea potencial son despreciables 2 Aire y el helio son gases ideales con

calores especiacuteficos constantes

Propiedades de las propiedades del aire a temperatura ambiente son cp = 0240 BTU lbm bull R CV = 0171 BTU lbm bull R k =

14 y R = 006855 Btu lbm bull R = 03704 psiasdotft3 lbm bull R Para el helio cp = 125 Btu lbm bull R cv = 0753

Btu lbm bull R k = 1667 y R = 04961 Btu lbm bull R = 26809 psiasdotft3 lbm bull R (Tabla A-2E)

Anaacutelisis de la masa de aire en el sistema es

3552 lbm

(03704 psia pies lbm R) (R 760)

(100 psia) (10 ft)

3

3

=sdot sdot= =

RT

m PV

El cambio de entropiacutea de aire entre el estado dado y el estado muerto es

004808 Btu lbm R

147 psia

(006855 Btu lbm R) En 100 psia

537 R

(0240 Btu lbm R) En 760 R

ln ln

0 0

0

= - sdot

= sdot - sdot- = -

P

R P

T

s s c Tp

Voluacutemenes especiacuteficos del aire en el estado dado y el estado son muertos

2815 pies lbm

100 psia

(03704 psia pies lbm R) (760 R) 3

3

=sdot sdot= =

P

RT v

1353 pies lbm

147 psia

(03704 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

La exergiacutea especiacutefica sistema cerrado en el aire es entonces

3480 Btu lbm

(537 R) (004808) Btu lbm R

5404 pies psia

(0171 Btu lbm R) (300 77) R (147 psia) (2815 1353) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

La exergiacutea total disponible en el aire para la produccioacuten de trabajo es entonces

Φ = mφ = (3552 lbm) (3480 Btu lbm) = 1236 BTU

Ahora repetimos los caacutelculos para el helio

09043 lbm

(26809 psia pies lbm R) (R 660)

(80 psia) (20 pies)

3

3

=sdot sdot= =

RT

m PV

05827 Btu lbm R

147 psia

(04961 Btu lbm R) En 80 psiav

9793 pies lbm

147 psia

(26809 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

1993 Btu lbm

(537 R) (05827) Btu lbm R

5404 pies psia

(0753 Btu lbm R) (200 77) R (147 psia) (2212 9793) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

Φ = mφ = (09043 lbm) (1993 Btu lbm) = 1802 BTU

Comparacioacuten de los dos resultados muestra que el sistema de helio tiene un mayor potencial para la produccioacuten de trabajo

8-32 de vapor y R-134a en los mismos estados son considerados El fluido con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Supuestos cineacuteticos y los cambios de energiacutea potencial son despreciables

Anaacutelisis Las propiedades del agua en el estado dado y en el estado son muertos

(Tabla A- 4)

03672 kJ kg K

0001003 m kg

10483 kJ kg

100 kPa

25 C

(Tabla A- 6)

67155 kJ kg K

024720 m kg

25947 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

La exergiacutea de vapor es

[]

= 6227 kJ⎥ ⎥ ⎥ ⎦⎤⎢ ⎢ ⎢

⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (67155 03672) kJ kg K

1 kPa m

(25947 10483) kJ kg (100 kPa) (024720 0001003) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Para R-134a

(Cuadro A-11)

032432 kJ kg K

00008286 m kg

8585 kJ kg

100 kPa

25 C

(Cuadro A-13)

13327 kJ kg K

0044554 m kg

38699 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

[]

= 502 kJ⎥ ⎥ ⎥⎦⎤⎢ ⎢ ⎢⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (13327 032432) kJ kg K

1 kPa m

(38699 8585) kJ kg (100 kPa) (0044554 00008286) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Por tanto el vapor puede tiene maacutes potencial de trabajo que el R-134a

la entrada de un trabajo uacutetil se mide La exergiacutea del aire en los estados inicial y final y el miacutenimo

trabajar de entrada para llevar a cabo este proceso de compresioacuten y la eficiencia de segunda ley se determinaraacuten

Hipoacutetesis 1 del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes 2 Las energiacuteas cineacutetica y potencial son

insignificante

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kPam3 kgK (Tabla A-1) Los calores especiacuteficos de aire en el

temperatura promedio de (298 + 423) 2 = 360 K son cp = 1009 kJ kg bull K y cv = 0722 kJ kg bull K (Tabla A-2)

Anaacutelisis (a) Se da cuenta de que X1 = Φ1 = 0 ya que el aire inicialmente estaacute en el estado muerto La masa de aire es

000234 kg

(0287 kPa m kg K) (298 K)

(100 kPa) (0002 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Tambieacuten

(2 L) = 0473 L

(600 kPa) (298 K)

(100 kPa) (423 K)

1

2 1

1 2

2

1

1 1

2

2 2 = ⎯⎯ rarr V = V =

V V

P T

P T

T

P

T

P

y

01608 kJ kg K

100 kPa

(0287 kJ kg K) ln 600 kPa

298 K

(1009 kJ kg K) En 423 K

ln ln

0

2

0

2

2 0 avg

= - sdot= sdot - sdot- = -

P

P

R

T

T

s s c p

Por lo tanto la exergiacutea de aire en el estado final es

[]

[]

= 0171kJ

+ sdot= sdot sdot= Φ = - - - + -

(100 kPa) (0000473- 0002) m [kJ m kPa]

(000234 kg) (0722 kJ kg K) (423- 298) K - (298 K) (- 01608 kJ kg K)

() () ()

3 3

X 2 m 2 cv avg T2 T0 T0 s2 P0 s0 V 2 V 0

(B) La entrada miacutenima de trabajo es el insumo trabajo reversible que puede ser determinada a partir de la exergiacutea

equilibrar mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

- = 0171kJ

= -

- - = Δ

= 0171 0

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

(C) La eficiencia de segunda ley de este proceso es

= = = 143

8-34 Un cilindro se llena inicialmente con R-134a en un estado especificado El refrigerante se enfriacutea y se condensa

a presioacuten constante La exergiacutea del refrigerante en los estados inicial y final y la exergiacutea destruida

durante este proceso son que se determine

Supuestos Las energiacuteas cineacutetica y potencial son despreciables

Propiedades de las tablas de refrigerante (Tablas A-11 a A-13)

10256 kJ kg K

27401 kJ kg

0034875 m kg

60 C

07 MPa

1

1

3

1

1

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

= 031958 kJ kg K

= 8444 kJ kg

= 00008261 m kg

24 C

07 MPa

2 24 C

2 24 C

3

2 24 C

2

2cong sdot

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 3: 8fds

= =

=

π

η ρ

π

η ρ η ρ

que completa la prueba de que la energiacutea eoacutelica es proporcional al cubo de la velocidad del viento y a la

cuadrado del diaacutemetro envergadura de la pala

0827 Una energiacutea geoteacutermica produce 14 MW de potencia mientras que la destruccioacuten de exergiacutea en la planta es de 185 MW

La exergiacutea del agua geoteacutermica que entra a la planta la eficiencia de segunda ley de la planta y la

exergiacutea del calor rechazado de la planta deben ser determinados

Existen Supuestos 1 Steady condiciones de funcionamiento 2 cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 3

Propiedades del agua se utilizan para el agua geoteacutermica

Anaacutelisis (a) Las propiedades del agua geoteacutermica en la entrada de la planta y en el estado son muertos (Tablas A-

4 a traveacutes de A-6)

036723 kJ kgK

10483 kJ kg

0

25 C

19426 kJ kgK

67547 kJ kg

0

160 C

0

0

0

0

1

1

1

1

=

=⎭ ⎬ ⎫=

= deg

=

=⎭ ⎬ ⎫=

= deg

s

h

X

T

s

h

X

T

La exergiacutea de agua geoteacutermica de entrar en la planta es

[]

[]

= = 4453MW

= - + - + -

= - - -

44525 kW

(440 kg s) (67547 10483) kJ kg 0 (25 273 K) (19426 036723) kJ kgK

X amp Y en m h1 T0 h0 (s1 s0

(B) La eficiencia de segunda ley de la planta es la relacioacuten entre la energiacutea producida a la entrada a la planta de exergiacutea

= = = 0314

44525 kW

14000 kW

en

fuera

X

W

II y

Y

η

(C) la exergiacutea del calor rechazado desde la planta puede determinarse a partir de un balance de exergiacutea en la planta

X amp calor salida = X amp en -W y por fuera - X amp dest = 44525 -14000 -18500 = 12025 kW = 1203MW

8-28C Siacute

8-29C Siacute se puede Por ejemplo la primera ley de la eficiencia de un motor de calor reversible que opera entre la

liacutemites de temperatura de 300 K y 1000 K es 70 Sin embargo la segunda ley de la eficiencia de este motor como

todos los dispositivos reversibles es 100

8-30E aire se expande en un sistema cerrado adiabaacutetico con un rendimiento isoentroacutepico de 95 La segunda ley

la eficiencia del proceso es que se determine

Hipoacutetesis 1 cineacutetica y cambios de energiacutea potencial son despreciables 2 El proceso es adiabaacutetico y por lo tanto

no hay transferencia de calor 3 El aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades de las propiedades del aire a temperatura ambiente son cp = 0240 BTU lbm bull R CV = 0171 BTU lbm bull R k =

14 y R = 006855 Btu lbm bull R (Tabla A-2EA)

Anaacutelisis Tomamos el aire cuando el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa cruza los liacutemites de la

sistema El balance de energiacutea para este sistema se puede expresar como

Hacia fuera (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

- B = Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

La temperatura final para el caso es isentroacutepico

2901 R

150 psia

(560 R) 15 psia

(1) 04 14

1

2

1 2 = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛= ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛=

k k-

s P

P

T T

La temperatura de salida real de la relacioacuten isoentroacutepica es

2 1 (1 2) 560 (095) (560 2901) 3036 R

1 2s

1 2

= - - = - - =

-

-

=

T T T T s

T T

T T

η

η

La salida de trabajo de frontera es

wb fuera = cv (T1 -T2) = (0171 BTU lbmsdotR) (560 a 3036) R = 4384 Btu lbm

El cambio de entropiacutea del aire es

001091 Btu lbm R

150 psia

(006855 Btu lbm R) En 15 psia

560 R

(0240 Btu lbm R) ln 3036 R

ln ln

1

2

1

2

aire

= sdot= sdot - sdotΔ = -

P

P

R

T

T

s c p

La diferencia exergiacutea entre los estados 1 y 2 es

3307 Btu lbm

(537 R) (001091 Btu lbm R)

15 psia

3036 R

150 psia

4384 Btu lbm (147 psia) (006855 Btu lbm R) 560 R

() ()

() ()

0 1 2

2

2

1

1

1 2 0

1 2 1 2 0 1 2 0 1 2

=sdot - - ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= + sdot -- - ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - + -

- = - + - - -

T s s

P

T

P

c T T P R T

u u P T s s

v

φ φ v v

El trabajo uacutetil se determina a partir

2721 Btu lbm

150 psia

560 R

15 psia

4384 Btu lbm (147 psia) (006855 Btu lbm R) 3036 R

() () ()

1

1

2

2

Fuera surr 1 2 0 2 1 1 2 0

=⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - sdot -⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - = - - - = - - -

P

T

P

w w w c T T T T P c P R T U B v v v v

La segunda ley es la eficiencia a continuacioacuten

= = 0823

Se consideran 8-31E aire y helio a estados especificados El gas con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Hipoacutetesis 1 cineacutetica y cambios de energiacutea potencial son despreciables 2 Aire y el helio son gases ideales con

calores especiacuteficos constantes

Propiedades de las propiedades del aire a temperatura ambiente son cp = 0240 BTU lbm bull R CV = 0171 BTU lbm bull R k =

14 y R = 006855 Btu lbm bull R = 03704 psiasdotft3 lbm bull R Para el helio cp = 125 Btu lbm bull R cv = 0753

Btu lbm bull R k = 1667 y R = 04961 Btu lbm bull R = 26809 psiasdotft3 lbm bull R (Tabla A-2E)

Anaacutelisis de la masa de aire en el sistema es

3552 lbm

(03704 psia pies lbm R) (R 760)

(100 psia) (10 ft)

3

3

=sdot sdot= =

RT

m PV

El cambio de entropiacutea de aire entre el estado dado y el estado muerto es

004808 Btu lbm R

147 psia

(006855 Btu lbm R) En 100 psia

537 R

(0240 Btu lbm R) En 760 R

ln ln

0 0

0

= - sdot

= sdot - sdot- = -

P

R P

T

s s c Tp

Voluacutemenes especiacuteficos del aire en el estado dado y el estado son muertos

2815 pies lbm

100 psia

(03704 psia pies lbm R) (760 R) 3

3

=sdot sdot= =

P

RT v

1353 pies lbm

147 psia

(03704 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

La exergiacutea especiacutefica sistema cerrado en el aire es entonces

3480 Btu lbm

(537 R) (004808) Btu lbm R

5404 pies psia

(0171 Btu lbm R) (300 77) R (147 psia) (2815 1353) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

La exergiacutea total disponible en el aire para la produccioacuten de trabajo es entonces

Φ = mφ = (3552 lbm) (3480 Btu lbm) = 1236 BTU

Ahora repetimos los caacutelculos para el helio

09043 lbm

(26809 psia pies lbm R) (R 660)

(80 psia) (20 pies)

3

3

=sdot sdot= =

RT

m PV

05827 Btu lbm R

147 psia

(04961 Btu lbm R) En 80 psiav

9793 pies lbm

147 psia

(26809 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

1993 Btu lbm

(537 R) (05827) Btu lbm R

5404 pies psia

(0753 Btu lbm R) (200 77) R (147 psia) (2212 9793) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

Φ = mφ = (09043 lbm) (1993 Btu lbm) = 1802 BTU

Comparacioacuten de los dos resultados muestra que el sistema de helio tiene un mayor potencial para la produccioacuten de trabajo

8-32 de vapor y R-134a en los mismos estados son considerados El fluido con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Supuestos cineacuteticos y los cambios de energiacutea potencial son despreciables

Anaacutelisis Las propiedades del agua en el estado dado y en el estado son muertos

(Tabla A- 4)

03672 kJ kg K

0001003 m kg

10483 kJ kg

100 kPa

25 C

(Tabla A- 6)

67155 kJ kg K

024720 m kg

25947 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

La exergiacutea de vapor es

[]

= 6227 kJ⎥ ⎥ ⎥ ⎦⎤⎢ ⎢ ⎢

⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (67155 03672) kJ kg K

1 kPa m

(25947 10483) kJ kg (100 kPa) (024720 0001003) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Para R-134a

(Cuadro A-11)

032432 kJ kg K

00008286 m kg

8585 kJ kg

100 kPa

25 C

(Cuadro A-13)

13327 kJ kg K

0044554 m kg

38699 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

[]

= 502 kJ⎥ ⎥ ⎥⎦⎤⎢ ⎢ ⎢⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (13327 032432) kJ kg K

1 kPa m

(38699 8585) kJ kg (100 kPa) (0044554 00008286) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Por tanto el vapor puede tiene maacutes potencial de trabajo que el R-134a

la entrada de un trabajo uacutetil se mide La exergiacutea del aire en los estados inicial y final y el miacutenimo

trabajar de entrada para llevar a cabo este proceso de compresioacuten y la eficiencia de segunda ley se determinaraacuten

Hipoacutetesis 1 del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes 2 Las energiacuteas cineacutetica y potencial son

insignificante

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kPam3 kgK (Tabla A-1) Los calores especiacuteficos de aire en el

temperatura promedio de (298 + 423) 2 = 360 K son cp = 1009 kJ kg bull K y cv = 0722 kJ kg bull K (Tabla A-2)

Anaacutelisis (a) Se da cuenta de que X1 = Φ1 = 0 ya que el aire inicialmente estaacute en el estado muerto La masa de aire es

000234 kg

(0287 kPa m kg K) (298 K)

(100 kPa) (0002 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Tambieacuten

(2 L) = 0473 L

(600 kPa) (298 K)

(100 kPa) (423 K)

1

2 1

1 2

2

1

1 1

2

2 2 = ⎯⎯ rarr V = V =

V V

P T

P T

T

P

T

P

y

01608 kJ kg K

100 kPa

(0287 kJ kg K) ln 600 kPa

298 K

(1009 kJ kg K) En 423 K

ln ln

0

2

0

2

2 0 avg

= - sdot= sdot - sdot- = -

P

P

R

T

T

s s c p

Por lo tanto la exergiacutea de aire en el estado final es

[]

[]

= 0171kJ

+ sdot= sdot sdot= Φ = - - - + -

(100 kPa) (0000473- 0002) m [kJ m kPa]

(000234 kg) (0722 kJ kg K) (423- 298) K - (298 K) (- 01608 kJ kg K)

() () ()

3 3

X 2 m 2 cv avg T2 T0 T0 s2 P0 s0 V 2 V 0

(B) La entrada miacutenima de trabajo es el insumo trabajo reversible que puede ser determinada a partir de la exergiacutea

equilibrar mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

- = 0171kJ

= -

- - = Δ

= 0171 0

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

(C) La eficiencia de segunda ley de este proceso es

= = = 143

8-34 Un cilindro se llena inicialmente con R-134a en un estado especificado El refrigerante se enfriacutea y se condensa

a presioacuten constante La exergiacutea del refrigerante en los estados inicial y final y la exergiacutea destruida

durante este proceso son que se determine

Supuestos Las energiacuteas cineacutetica y potencial son despreciables

Propiedades de las tablas de refrigerante (Tablas A-11 a A-13)

10256 kJ kg K

27401 kJ kg

0034875 m kg

60 C

07 MPa

1

1

3

1

1

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

= 031958 kJ kg K

= 8444 kJ kg

= 00008261 m kg

24 C

07 MPa

2 24 C

2 24 C

3

2 24 C

2

2cong sdot

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 4: 8fds

0

1

1

1

1

=

=⎭ ⎬ ⎫=

= deg

=

=⎭ ⎬ ⎫=

= deg

s

h

X

T

s

h

X

T

La exergiacutea de agua geoteacutermica de entrar en la planta es

[]

[]

= = 4453MW

= - + - + -

= - - -

44525 kW

(440 kg s) (67547 10483) kJ kg 0 (25 273 K) (19426 036723) kJ kgK

X amp Y en m h1 T0 h0 (s1 s0

(B) La eficiencia de segunda ley de la planta es la relacioacuten entre la energiacutea producida a la entrada a la planta de exergiacutea

= = = 0314

44525 kW

14000 kW

en

fuera

X

W

II y

Y

η

(C) la exergiacutea del calor rechazado desde la planta puede determinarse a partir de un balance de exergiacutea en la planta

X amp calor salida = X amp en -W y por fuera - X amp dest = 44525 -14000 -18500 = 12025 kW = 1203MW

8-28C Siacute

8-29C Siacute se puede Por ejemplo la primera ley de la eficiencia de un motor de calor reversible que opera entre la

liacutemites de temperatura de 300 K y 1000 K es 70 Sin embargo la segunda ley de la eficiencia de este motor como

todos los dispositivos reversibles es 100

8-30E aire se expande en un sistema cerrado adiabaacutetico con un rendimiento isoentroacutepico de 95 La segunda ley

la eficiencia del proceso es que se determine

Hipoacutetesis 1 cineacutetica y cambios de energiacutea potencial son despreciables 2 El proceso es adiabaacutetico y por lo tanto

no hay transferencia de calor 3 El aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades de las propiedades del aire a temperatura ambiente son cp = 0240 BTU lbm bull R CV = 0171 BTU lbm bull R k =

14 y R = 006855 Btu lbm bull R (Tabla A-2EA)

Anaacutelisis Tomamos el aire cuando el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa cruza los liacutemites de la

sistema El balance de energiacutea para este sistema se puede expresar como

Hacia fuera (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

- B = Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

La temperatura final para el caso es isentroacutepico

2901 R

150 psia

(560 R) 15 psia

(1) 04 14

1

2

1 2 = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛= ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛=

k k-

s P

P

T T

La temperatura de salida real de la relacioacuten isoentroacutepica es

2 1 (1 2) 560 (095) (560 2901) 3036 R

1 2s

1 2

= - - = - - =

-

-

=

T T T T s

T T

T T

η

η

La salida de trabajo de frontera es

wb fuera = cv (T1 -T2) = (0171 BTU lbmsdotR) (560 a 3036) R = 4384 Btu lbm

El cambio de entropiacutea del aire es

001091 Btu lbm R

150 psia

(006855 Btu lbm R) En 15 psia

560 R

(0240 Btu lbm R) ln 3036 R

ln ln

1

2

1

2

aire

= sdot= sdot - sdotΔ = -

P

P

R

T

T

s c p

La diferencia exergiacutea entre los estados 1 y 2 es

3307 Btu lbm

(537 R) (001091 Btu lbm R)

15 psia

3036 R

150 psia

4384 Btu lbm (147 psia) (006855 Btu lbm R) 560 R

() ()

() ()

0 1 2

2

2

1

1

1 2 0

1 2 1 2 0 1 2 0 1 2

=sdot - - ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= + sdot -- - ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - + -

- = - + - - -

T s s

P

T

P

c T T P R T

u u P T s s

v

φ φ v v

El trabajo uacutetil se determina a partir

2721 Btu lbm

150 psia

560 R

15 psia

4384 Btu lbm (147 psia) (006855 Btu lbm R) 3036 R

() () ()

1

1

2

2

Fuera surr 1 2 0 2 1 1 2 0

=⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - sdot -⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - = - - - = - - -

P

T

P

w w w c T T T T P c P R T U B v v v v

La segunda ley es la eficiencia a continuacioacuten

= = 0823

Se consideran 8-31E aire y helio a estados especificados El gas con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Hipoacutetesis 1 cineacutetica y cambios de energiacutea potencial son despreciables 2 Aire y el helio son gases ideales con

calores especiacuteficos constantes

Propiedades de las propiedades del aire a temperatura ambiente son cp = 0240 BTU lbm bull R CV = 0171 BTU lbm bull R k =

14 y R = 006855 Btu lbm bull R = 03704 psiasdotft3 lbm bull R Para el helio cp = 125 Btu lbm bull R cv = 0753

Btu lbm bull R k = 1667 y R = 04961 Btu lbm bull R = 26809 psiasdotft3 lbm bull R (Tabla A-2E)

Anaacutelisis de la masa de aire en el sistema es

3552 lbm

(03704 psia pies lbm R) (R 760)

(100 psia) (10 ft)

3

3

=sdot sdot= =

RT

m PV

El cambio de entropiacutea de aire entre el estado dado y el estado muerto es

004808 Btu lbm R

147 psia

(006855 Btu lbm R) En 100 psia

537 R

(0240 Btu lbm R) En 760 R

ln ln

0 0

0

= - sdot

= sdot - sdot- = -

P

R P

T

s s c Tp

Voluacutemenes especiacuteficos del aire en el estado dado y el estado son muertos

2815 pies lbm

100 psia

(03704 psia pies lbm R) (760 R) 3

3

=sdot sdot= =

P

RT v

1353 pies lbm

147 psia

(03704 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

La exergiacutea especiacutefica sistema cerrado en el aire es entonces

3480 Btu lbm

(537 R) (004808) Btu lbm R

5404 pies psia

(0171 Btu lbm R) (300 77) R (147 psia) (2815 1353) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

La exergiacutea total disponible en el aire para la produccioacuten de trabajo es entonces

Φ = mφ = (3552 lbm) (3480 Btu lbm) = 1236 BTU

Ahora repetimos los caacutelculos para el helio

09043 lbm

(26809 psia pies lbm R) (R 660)

(80 psia) (20 pies)

3

3

=sdot sdot= =

RT

m PV

05827 Btu lbm R

147 psia

(04961 Btu lbm R) En 80 psiav

9793 pies lbm

147 psia

(26809 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

1993 Btu lbm

(537 R) (05827) Btu lbm R

5404 pies psia

(0753 Btu lbm R) (200 77) R (147 psia) (2212 9793) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

Φ = mφ = (09043 lbm) (1993 Btu lbm) = 1802 BTU

Comparacioacuten de los dos resultados muestra que el sistema de helio tiene un mayor potencial para la produccioacuten de trabajo

8-32 de vapor y R-134a en los mismos estados son considerados El fluido con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Supuestos cineacuteticos y los cambios de energiacutea potencial son despreciables

Anaacutelisis Las propiedades del agua en el estado dado y en el estado son muertos

(Tabla A- 4)

03672 kJ kg K

0001003 m kg

10483 kJ kg

100 kPa

25 C

(Tabla A- 6)

67155 kJ kg K

024720 m kg

25947 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

La exergiacutea de vapor es

[]

= 6227 kJ⎥ ⎥ ⎥ ⎦⎤⎢ ⎢ ⎢

⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (67155 03672) kJ kg K

1 kPa m

(25947 10483) kJ kg (100 kPa) (024720 0001003) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Para R-134a

(Cuadro A-11)

032432 kJ kg K

00008286 m kg

8585 kJ kg

100 kPa

25 C

(Cuadro A-13)

13327 kJ kg K

0044554 m kg

38699 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

[]

= 502 kJ⎥ ⎥ ⎥⎦⎤⎢ ⎢ ⎢⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (13327 032432) kJ kg K

1 kPa m

(38699 8585) kJ kg (100 kPa) (0044554 00008286) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Por tanto el vapor puede tiene maacutes potencial de trabajo que el R-134a

la entrada de un trabajo uacutetil se mide La exergiacutea del aire en los estados inicial y final y el miacutenimo

trabajar de entrada para llevar a cabo este proceso de compresioacuten y la eficiencia de segunda ley se determinaraacuten

Hipoacutetesis 1 del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes 2 Las energiacuteas cineacutetica y potencial son

insignificante

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kPam3 kgK (Tabla A-1) Los calores especiacuteficos de aire en el

temperatura promedio de (298 + 423) 2 = 360 K son cp = 1009 kJ kg bull K y cv = 0722 kJ kg bull K (Tabla A-2)

Anaacutelisis (a) Se da cuenta de que X1 = Φ1 = 0 ya que el aire inicialmente estaacute en el estado muerto La masa de aire es

000234 kg

(0287 kPa m kg K) (298 K)

(100 kPa) (0002 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Tambieacuten

(2 L) = 0473 L

(600 kPa) (298 K)

(100 kPa) (423 K)

1

2 1

1 2

2

1

1 1

2

2 2 = ⎯⎯ rarr V = V =

V V

P T

P T

T

P

T

P

y

01608 kJ kg K

100 kPa

(0287 kJ kg K) ln 600 kPa

298 K

(1009 kJ kg K) En 423 K

ln ln

0

2

0

2

2 0 avg

= - sdot= sdot - sdot- = -

P

P

R

T

T

s s c p

Por lo tanto la exergiacutea de aire en el estado final es

[]

[]

= 0171kJ

+ sdot= sdot sdot= Φ = - - - + -

(100 kPa) (0000473- 0002) m [kJ m kPa]

(000234 kg) (0722 kJ kg K) (423- 298) K - (298 K) (- 01608 kJ kg K)

() () ()

3 3

X 2 m 2 cv avg T2 T0 T0 s2 P0 s0 V 2 V 0

(B) La entrada miacutenima de trabajo es el insumo trabajo reversible que puede ser determinada a partir de la exergiacutea

equilibrar mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

- = 0171kJ

= -

- - = Δ

= 0171 0

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

(C) La eficiencia de segunda ley de este proceso es

= = = 143

8-34 Un cilindro se llena inicialmente con R-134a en un estado especificado El refrigerante se enfriacutea y se condensa

a presioacuten constante La exergiacutea del refrigerante en los estados inicial y final y la exergiacutea destruida

durante este proceso son que se determine

Supuestos Las energiacuteas cineacutetica y potencial son despreciables

Propiedades de las tablas de refrigerante (Tablas A-11 a A-13)

10256 kJ kg K

27401 kJ kg

0034875 m kg

60 C

07 MPa

1

1

3

1

1

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

= 031958 kJ kg K

= 8444 kJ kg

= 00008261 m kg

24 C

07 MPa

2 24 C

2 24 C

3

2 24 C

2

2cong sdot

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 5: 8fds

44525 kW

(440 kg s) (67547 10483) kJ kg 0 (25 273 K) (19426 036723) kJ kgK

X amp Y en m h1 T0 h0 (s1 s0

(B) La eficiencia de segunda ley de la planta es la relacioacuten entre la energiacutea producida a la entrada a la planta de exergiacutea

= = = 0314

44525 kW

14000 kW

en

fuera

X

W

II y

Y

η

(C) la exergiacutea del calor rechazado desde la planta puede determinarse a partir de un balance de exergiacutea en la planta

X amp calor salida = X amp en -W y por fuera - X amp dest = 44525 -14000 -18500 = 12025 kW = 1203MW

8-28C Siacute

8-29C Siacute se puede Por ejemplo la primera ley de la eficiencia de un motor de calor reversible que opera entre la

liacutemites de temperatura de 300 K y 1000 K es 70 Sin embargo la segunda ley de la eficiencia de este motor como

todos los dispositivos reversibles es 100

8-30E aire se expande en un sistema cerrado adiabaacutetico con un rendimiento isoentroacutepico de 95 La segunda ley

la eficiencia del proceso es que se determine

Hipoacutetesis 1 cineacutetica y cambios de energiacutea potencial son despreciables 2 El proceso es adiabaacutetico y por lo tanto

no hay transferencia de calor 3 El aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades de las propiedades del aire a temperatura ambiente son cp = 0240 BTU lbm bull R CV = 0171 BTU lbm bull R k =

14 y R = 006855 Btu lbm bull R (Tabla A-2EA)

Anaacutelisis Tomamos el aire cuando el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa cruza los liacutemites de la

sistema El balance de energiacutea para este sistema se puede expresar como

Hacia fuera (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

- B = Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

La temperatura final para el caso es isentroacutepico

2901 R

150 psia

(560 R) 15 psia

(1) 04 14

1

2

1 2 = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛= ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛=

k k-

s P

P

T T

La temperatura de salida real de la relacioacuten isoentroacutepica es

2 1 (1 2) 560 (095) (560 2901) 3036 R

1 2s

1 2

= - - = - - =

-

-

=

T T T T s

T T

T T

η

η

La salida de trabajo de frontera es

wb fuera = cv (T1 -T2) = (0171 BTU lbmsdotR) (560 a 3036) R = 4384 Btu lbm

El cambio de entropiacutea del aire es

001091 Btu lbm R

150 psia

(006855 Btu lbm R) En 15 psia

560 R

(0240 Btu lbm R) ln 3036 R

ln ln

1

2

1

2

aire

= sdot= sdot - sdotΔ = -

P

P

R

T

T

s c p

La diferencia exergiacutea entre los estados 1 y 2 es

3307 Btu lbm

(537 R) (001091 Btu lbm R)

15 psia

3036 R

150 psia

4384 Btu lbm (147 psia) (006855 Btu lbm R) 560 R

() ()

() ()

0 1 2

2

2

1

1

1 2 0

1 2 1 2 0 1 2 0 1 2

=sdot - - ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= + sdot -- - ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - + -

- = - + - - -

T s s

P

T

P

c T T P R T

u u P T s s

v

φ φ v v

El trabajo uacutetil se determina a partir

2721 Btu lbm

150 psia

560 R

15 psia

4384 Btu lbm (147 psia) (006855 Btu lbm R) 3036 R

() () ()

1

1

2

2

Fuera surr 1 2 0 2 1 1 2 0

=⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - sdot -⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - = - - - = - - -

P

T

P

w w w c T T T T P c P R T U B v v v v

La segunda ley es la eficiencia a continuacioacuten

= = 0823

Se consideran 8-31E aire y helio a estados especificados El gas con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Hipoacutetesis 1 cineacutetica y cambios de energiacutea potencial son despreciables 2 Aire y el helio son gases ideales con

calores especiacuteficos constantes

Propiedades de las propiedades del aire a temperatura ambiente son cp = 0240 BTU lbm bull R CV = 0171 BTU lbm bull R k =

14 y R = 006855 Btu lbm bull R = 03704 psiasdotft3 lbm bull R Para el helio cp = 125 Btu lbm bull R cv = 0753

Btu lbm bull R k = 1667 y R = 04961 Btu lbm bull R = 26809 psiasdotft3 lbm bull R (Tabla A-2E)

Anaacutelisis de la masa de aire en el sistema es

3552 lbm

(03704 psia pies lbm R) (R 760)

(100 psia) (10 ft)

3

3

=sdot sdot= =

RT

m PV

El cambio de entropiacutea de aire entre el estado dado y el estado muerto es

004808 Btu lbm R

147 psia

(006855 Btu lbm R) En 100 psia

537 R

(0240 Btu lbm R) En 760 R

ln ln

0 0

0

= - sdot

= sdot - sdot- = -

P

R P

T

s s c Tp

Voluacutemenes especiacuteficos del aire en el estado dado y el estado son muertos

2815 pies lbm

100 psia

(03704 psia pies lbm R) (760 R) 3

3

=sdot sdot= =

P

RT v

1353 pies lbm

147 psia

(03704 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

La exergiacutea especiacutefica sistema cerrado en el aire es entonces

3480 Btu lbm

(537 R) (004808) Btu lbm R

5404 pies psia

(0171 Btu lbm R) (300 77) R (147 psia) (2815 1353) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

La exergiacutea total disponible en el aire para la produccioacuten de trabajo es entonces

Φ = mφ = (3552 lbm) (3480 Btu lbm) = 1236 BTU

Ahora repetimos los caacutelculos para el helio

09043 lbm

(26809 psia pies lbm R) (R 660)

(80 psia) (20 pies)

3

3

=sdot sdot= =

RT

m PV

05827 Btu lbm R

147 psia

(04961 Btu lbm R) En 80 psiav

9793 pies lbm

147 psia

(26809 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

1993 Btu lbm

(537 R) (05827) Btu lbm R

5404 pies psia

(0753 Btu lbm R) (200 77) R (147 psia) (2212 9793) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

Φ = mφ = (09043 lbm) (1993 Btu lbm) = 1802 BTU

Comparacioacuten de los dos resultados muestra que el sistema de helio tiene un mayor potencial para la produccioacuten de trabajo

8-32 de vapor y R-134a en los mismos estados son considerados El fluido con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Supuestos cineacuteticos y los cambios de energiacutea potencial son despreciables

Anaacutelisis Las propiedades del agua en el estado dado y en el estado son muertos

(Tabla A- 4)

03672 kJ kg K

0001003 m kg

10483 kJ kg

100 kPa

25 C

(Tabla A- 6)

67155 kJ kg K

024720 m kg

25947 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

La exergiacutea de vapor es

[]

= 6227 kJ⎥ ⎥ ⎥ ⎦⎤⎢ ⎢ ⎢

⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (67155 03672) kJ kg K

1 kPa m

(25947 10483) kJ kg (100 kPa) (024720 0001003) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Para R-134a

(Cuadro A-11)

032432 kJ kg K

00008286 m kg

8585 kJ kg

100 kPa

25 C

(Cuadro A-13)

13327 kJ kg K

0044554 m kg

38699 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

[]

= 502 kJ⎥ ⎥ ⎥⎦⎤⎢ ⎢ ⎢⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (13327 032432) kJ kg K

1 kPa m

(38699 8585) kJ kg (100 kPa) (0044554 00008286) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Por tanto el vapor puede tiene maacutes potencial de trabajo que el R-134a

la entrada de un trabajo uacutetil se mide La exergiacutea del aire en los estados inicial y final y el miacutenimo

trabajar de entrada para llevar a cabo este proceso de compresioacuten y la eficiencia de segunda ley se determinaraacuten

Hipoacutetesis 1 del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes 2 Las energiacuteas cineacutetica y potencial son

insignificante

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kPam3 kgK (Tabla A-1) Los calores especiacuteficos de aire en el

temperatura promedio de (298 + 423) 2 = 360 K son cp = 1009 kJ kg bull K y cv = 0722 kJ kg bull K (Tabla A-2)

Anaacutelisis (a) Se da cuenta de que X1 = Φ1 = 0 ya que el aire inicialmente estaacute en el estado muerto La masa de aire es

000234 kg

(0287 kPa m kg K) (298 K)

(100 kPa) (0002 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Tambieacuten

(2 L) = 0473 L

(600 kPa) (298 K)

(100 kPa) (423 K)

1

2 1

1 2

2

1

1 1

2

2 2 = ⎯⎯ rarr V = V =

V V

P T

P T

T

P

T

P

y

01608 kJ kg K

100 kPa

(0287 kJ kg K) ln 600 kPa

298 K

(1009 kJ kg K) En 423 K

ln ln

0

2

0

2

2 0 avg

= - sdot= sdot - sdot- = -

P

P

R

T

T

s s c p

Por lo tanto la exergiacutea de aire en el estado final es

[]

[]

= 0171kJ

+ sdot= sdot sdot= Φ = - - - + -

(100 kPa) (0000473- 0002) m [kJ m kPa]

(000234 kg) (0722 kJ kg K) (423- 298) K - (298 K) (- 01608 kJ kg K)

() () ()

3 3

X 2 m 2 cv avg T2 T0 T0 s2 P0 s0 V 2 V 0

(B) La entrada miacutenima de trabajo es el insumo trabajo reversible que puede ser determinada a partir de la exergiacutea

equilibrar mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

- = 0171kJ

= -

- - = Δ

= 0171 0

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

(C) La eficiencia de segunda ley de este proceso es

= = = 143

8-34 Un cilindro se llena inicialmente con R-134a en un estado especificado El refrigerante se enfriacutea y se condensa

a presioacuten constante La exergiacutea del refrigerante en los estados inicial y final y la exergiacutea destruida

durante este proceso son que se determine

Supuestos Las energiacuteas cineacutetica y potencial son despreciables

Propiedades de las tablas de refrigerante (Tablas A-11 a A-13)

10256 kJ kg K

27401 kJ kg

0034875 m kg

60 C

07 MPa

1

1

3

1

1

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

= 031958 kJ kg K

= 8444 kJ kg

= 00008261 m kg

24 C

07 MPa

2 24 C

2 24 C

3

2 24 C

2

2cong sdot

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 6: 8fds

Propiedades de las propiedades del aire a temperatura ambiente son cp = 0240 BTU lbm bull R CV = 0171 BTU lbm bull R k =

14 y R = 006855 Btu lbm bull R (Tabla A-2EA)

Anaacutelisis Tomamos el aire cuando el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa cruza los liacutemites de la

sistema El balance de energiacutea para este sistema se puede expresar como

Hacia fuera (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

- B = Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

La temperatura final para el caso es isentroacutepico

2901 R

150 psia

(560 R) 15 psia

(1) 04 14

1

2

1 2 = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛= ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛=

k k-

s P

P

T T

La temperatura de salida real de la relacioacuten isoentroacutepica es

2 1 (1 2) 560 (095) (560 2901) 3036 R

1 2s

1 2

= - - = - - =

-

-

=

T T T T s

T T

T T

η

η

La salida de trabajo de frontera es

wb fuera = cv (T1 -T2) = (0171 BTU lbmsdotR) (560 a 3036) R = 4384 Btu lbm

El cambio de entropiacutea del aire es

001091 Btu lbm R

150 psia

(006855 Btu lbm R) En 15 psia

560 R

(0240 Btu lbm R) ln 3036 R

ln ln

1

2

1

2

aire

= sdot= sdot - sdotΔ = -

P

P

R

T

T

s c p

La diferencia exergiacutea entre los estados 1 y 2 es

3307 Btu lbm

(537 R) (001091 Btu lbm R)

15 psia

3036 R

150 psia

4384 Btu lbm (147 psia) (006855 Btu lbm R) 560 R

() ()

() ()

0 1 2

2

2

1

1

1 2 0

1 2 1 2 0 1 2 0 1 2

=sdot - - ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= + sdot -- - ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - + -

- = - + - - -

T s s

P

T

P

c T T P R T

u u P T s s

v

φ φ v v

El trabajo uacutetil se determina a partir

2721 Btu lbm

150 psia

560 R

15 psia

4384 Btu lbm (147 psia) (006855 Btu lbm R) 3036 R

() () ()

1

1

2

2

Fuera surr 1 2 0 2 1 1 2 0

=⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - sdot -⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - = - - - = - - -

P

T

P

w w w c T T T T P c P R T U B v v v v

La segunda ley es la eficiencia a continuacioacuten

= = 0823

Se consideran 8-31E aire y helio a estados especificados El gas con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Hipoacutetesis 1 cineacutetica y cambios de energiacutea potencial son despreciables 2 Aire y el helio son gases ideales con

calores especiacuteficos constantes

Propiedades de las propiedades del aire a temperatura ambiente son cp = 0240 BTU lbm bull R CV = 0171 BTU lbm bull R k =

14 y R = 006855 Btu lbm bull R = 03704 psiasdotft3 lbm bull R Para el helio cp = 125 Btu lbm bull R cv = 0753

Btu lbm bull R k = 1667 y R = 04961 Btu lbm bull R = 26809 psiasdotft3 lbm bull R (Tabla A-2E)

Anaacutelisis de la masa de aire en el sistema es

3552 lbm

(03704 psia pies lbm R) (R 760)

(100 psia) (10 ft)

3

3

=sdot sdot= =

RT

m PV

El cambio de entropiacutea de aire entre el estado dado y el estado muerto es

004808 Btu lbm R

147 psia

(006855 Btu lbm R) En 100 psia

537 R

(0240 Btu lbm R) En 760 R

ln ln

0 0

0

= - sdot

= sdot - sdot- = -

P

R P

T

s s c Tp

Voluacutemenes especiacuteficos del aire en el estado dado y el estado son muertos

2815 pies lbm

100 psia

(03704 psia pies lbm R) (760 R) 3

3

=sdot sdot= =

P

RT v

1353 pies lbm

147 psia

(03704 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

La exergiacutea especiacutefica sistema cerrado en el aire es entonces

3480 Btu lbm

(537 R) (004808) Btu lbm R

5404 pies psia

(0171 Btu lbm R) (300 77) R (147 psia) (2815 1353) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

La exergiacutea total disponible en el aire para la produccioacuten de trabajo es entonces

Φ = mφ = (3552 lbm) (3480 Btu lbm) = 1236 BTU

Ahora repetimos los caacutelculos para el helio

09043 lbm

(26809 psia pies lbm R) (R 660)

(80 psia) (20 pies)

3

3

=sdot sdot= =

RT

m PV

05827 Btu lbm R

147 psia

(04961 Btu lbm R) En 80 psiav

9793 pies lbm

147 psia

(26809 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

1993 Btu lbm

(537 R) (05827) Btu lbm R

5404 pies psia

(0753 Btu lbm R) (200 77) R (147 psia) (2212 9793) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

Φ = mφ = (09043 lbm) (1993 Btu lbm) = 1802 BTU

Comparacioacuten de los dos resultados muestra que el sistema de helio tiene un mayor potencial para la produccioacuten de trabajo

8-32 de vapor y R-134a en los mismos estados son considerados El fluido con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Supuestos cineacuteticos y los cambios de energiacutea potencial son despreciables

Anaacutelisis Las propiedades del agua en el estado dado y en el estado son muertos

(Tabla A- 4)

03672 kJ kg K

0001003 m kg

10483 kJ kg

100 kPa

25 C

(Tabla A- 6)

67155 kJ kg K

024720 m kg

25947 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

La exergiacutea de vapor es

[]

= 6227 kJ⎥ ⎥ ⎥ ⎦⎤⎢ ⎢ ⎢

⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (67155 03672) kJ kg K

1 kPa m

(25947 10483) kJ kg (100 kPa) (024720 0001003) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Para R-134a

(Cuadro A-11)

032432 kJ kg K

00008286 m kg

8585 kJ kg

100 kPa

25 C

(Cuadro A-13)

13327 kJ kg K

0044554 m kg

38699 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

[]

= 502 kJ⎥ ⎥ ⎥⎦⎤⎢ ⎢ ⎢⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (13327 032432) kJ kg K

1 kPa m

(38699 8585) kJ kg (100 kPa) (0044554 00008286) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Por tanto el vapor puede tiene maacutes potencial de trabajo que el R-134a

la entrada de un trabajo uacutetil se mide La exergiacutea del aire en los estados inicial y final y el miacutenimo

trabajar de entrada para llevar a cabo este proceso de compresioacuten y la eficiencia de segunda ley se determinaraacuten

Hipoacutetesis 1 del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes 2 Las energiacuteas cineacutetica y potencial son

insignificante

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kPam3 kgK (Tabla A-1) Los calores especiacuteficos de aire en el

temperatura promedio de (298 + 423) 2 = 360 K son cp = 1009 kJ kg bull K y cv = 0722 kJ kg bull K (Tabla A-2)

Anaacutelisis (a) Se da cuenta de que X1 = Φ1 = 0 ya que el aire inicialmente estaacute en el estado muerto La masa de aire es

000234 kg

(0287 kPa m kg K) (298 K)

(100 kPa) (0002 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Tambieacuten

(2 L) = 0473 L

(600 kPa) (298 K)

(100 kPa) (423 K)

1

2 1

1 2

2

1

1 1

2

2 2 = ⎯⎯ rarr V = V =

V V

P T

P T

T

P

T

P

y

01608 kJ kg K

100 kPa

(0287 kJ kg K) ln 600 kPa

298 K

(1009 kJ kg K) En 423 K

ln ln

0

2

0

2

2 0 avg

= - sdot= sdot - sdot- = -

P

P

R

T

T

s s c p

Por lo tanto la exergiacutea de aire en el estado final es

[]

[]

= 0171kJ

+ sdot= sdot sdot= Φ = - - - + -

(100 kPa) (0000473- 0002) m [kJ m kPa]

(000234 kg) (0722 kJ kg K) (423- 298) K - (298 K) (- 01608 kJ kg K)

() () ()

3 3

X 2 m 2 cv avg T2 T0 T0 s2 P0 s0 V 2 V 0

(B) La entrada miacutenima de trabajo es el insumo trabajo reversible que puede ser determinada a partir de la exergiacutea

equilibrar mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

- = 0171kJ

= -

- - = Δ

= 0171 0

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

(C) La eficiencia de segunda ley de este proceso es

= = = 143

8-34 Un cilindro se llena inicialmente con R-134a en un estado especificado El refrigerante se enfriacutea y se condensa

a presioacuten constante La exergiacutea del refrigerante en los estados inicial y final y la exergiacutea destruida

durante este proceso son que se determine

Supuestos Las energiacuteas cineacutetica y potencial son despreciables

Propiedades de las tablas de refrigerante (Tablas A-11 a A-13)

10256 kJ kg K

27401 kJ kg

0034875 m kg

60 C

07 MPa

1

1

3

1

1

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

= 031958 kJ kg K

= 8444 kJ kg

= 00008261 m kg

24 C

07 MPa

2 24 C

2 24 C

3

2 24 C

2

2cong sdot

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 7: 8fds

⎛= ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛=

k k-

s P

P

T T

La temperatura de salida real de la relacioacuten isoentroacutepica es

2 1 (1 2) 560 (095) (560 2901) 3036 R

1 2s

1 2

= - - = - - =

-

-

=

T T T T s

T T

T T

η

η

La salida de trabajo de frontera es

wb fuera = cv (T1 -T2) = (0171 BTU lbmsdotR) (560 a 3036) R = 4384 Btu lbm

El cambio de entropiacutea del aire es

001091 Btu lbm R

150 psia

(006855 Btu lbm R) En 15 psia

560 R

(0240 Btu lbm R) ln 3036 R

ln ln

1

2

1

2

aire

= sdot= sdot - sdotΔ = -

P

P

R

T

T

s c p

La diferencia exergiacutea entre los estados 1 y 2 es

3307 Btu lbm

(537 R) (001091 Btu lbm R)

15 psia

3036 R

150 psia

4384 Btu lbm (147 psia) (006855 Btu lbm R) 560 R

() ()

() ()

0 1 2

2

2

1

1

1 2 0

1 2 1 2 0 1 2 0 1 2

=sdot - - ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= + sdot -- - ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - + -

- = - + - - -

T s s

P

T

P

c T T P R T

u u P T s s

v

φ φ v v

El trabajo uacutetil se determina a partir

2721 Btu lbm

150 psia

560 R

15 psia

4384 Btu lbm (147 psia) (006855 Btu lbm R) 3036 R

() () ()

1

1

2

2

Fuera surr 1 2 0 2 1 1 2 0

=⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - sdot -⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - = - - - = - - -

P

T

P

w w w c T T T T P c P R T U B v v v v

La segunda ley es la eficiencia a continuacioacuten

= = 0823

Se consideran 8-31E aire y helio a estados especificados El gas con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Hipoacutetesis 1 cineacutetica y cambios de energiacutea potencial son despreciables 2 Aire y el helio son gases ideales con

calores especiacuteficos constantes

Propiedades de las propiedades del aire a temperatura ambiente son cp = 0240 BTU lbm bull R CV = 0171 BTU lbm bull R k =

14 y R = 006855 Btu lbm bull R = 03704 psiasdotft3 lbm bull R Para el helio cp = 125 Btu lbm bull R cv = 0753

Btu lbm bull R k = 1667 y R = 04961 Btu lbm bull R = 26809 psiasdotft3 lbm bull R (Tabla A-2E)

Anaacutelisis de la masa de aire en el sistema es

3552 lbm

(03704 psia pies lbm R) (R 760)

(100 psia) (10 ft)

3

3

=sdot sdot= =

RT

m PV

El cambio de entropiacutea de aire entre el estado dado y el estado muerto es

004808 Btu lbm R

147 psia

(006855 Btu lbm R) En 100 psia

537 R

(0240 Btu lbm R) En 760 R

ln ln

0 0

0

= - sdot

= sdot - sdot- = -

P

R P

T

s s c Tp

Voluacutemenes especiacuteficos del aire en el estado dado y el estado son muertos

2815 pies lbm

100 psia

(03704 psia pies lbm R) (760 R) 3

3

=sdot sdot= =

P

RT v

1353 pies lbm

147 psia

(03704 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

La exergiacutea especiacutefica sistema cerrado en el aire es entonces

3480 Btu lbm

(537 R) (004808) Btu lbm R

5404 pies psia

(0171 Btu lbm R) (300 77) R (147 psia) (2815 1353) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

La exergiacutea total disponible en el aire para la produccioacuten de trabajo es entonces

Φ = mφ = (3552 lbm) (3480 Btu lbm) = 1236 BTU

Ahora repetimos los caacutelculos para el helio

09043 lbm

(26809 psia pies lbm R) (R 660)

(80 psia) (20 pies)

3

3

=sdot sdot= =

RT

m PV

05827 Btu lbm R

147 psia

(04961 Btu lbm R) En 80 psiav

9793 pies lbm

147 psia

(26809 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

1993 Btu lbm

(537 R) (05827) Btu lbm R

5404 pies psia

(0753 Btu lbm R) (200 77) R (147 psia) (2212 9793) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

Φ = mφ = (09043 lbm) (1993 Btu lbm) = 1802 BTU

Comparacioacuten de los dos resultados muestra que el sistema de helio tiene un mayor potencial para la produccioacuten de trabajo

8-32 de vapor y R-134a en los mismos estados son considerados El fluido con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Supuestos cineacuteticos y los cambios de energiacutea potencial son despreciables

Anaacutelisis Las propiedades del agua en el estado dado y en el estado son muertos

(Tabla A- 4)

03672 kJ kg K

0001003 m kg

10483 kJ kg

100 kPa

25 C

(Tabla A- 6)

67155 kJ kg K

024720 m kg

25947 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

La exergiacutea de vapor es

[]

= 6227 kJ⎥ ⎥ ⎥ ⎦⎤⎢ ⎢ ⎢

⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (67155 03672) kJ kg K

1 kPa m

(25947 10483) kJ kg (100 kPa) (024720 0001003) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Para R-134a

(Cuadro A-11)

032432 kJ kg K

00008286 m kg

8585 kJ kg

100 kPa

25 C

(Cuadro A-13)

13327 kJ kg K

0044554 m kg

38699 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

[]

= 502 kJ⎥ ⎥ ⎥⎦⎤⎢ ⎢ ⎢⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (13327 032432) kJ kg K

1 kPa m

(38699 8585) kJ kg (100 kPa) (0044554 00008286) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Por tanto el vapor puede tiene maacutes potencial de trabajo que el R-134a

la entrada de un trabajo uacutetil se mide La exergiacutea del aire en los estados inicial y final y el miacutenimo

trabajar de entrada para llevar a cabo este proceso de compresioacuten y la eficiencia de segunda ley se determinaraacuten

Hipoacutetesis 1 del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes 2 Las energiacuteas cineacutetica y potencial son

insignificante

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kPam3 kgK (Tabla A-1) Los calores especiacuteficos de aire en el

temperatura promedio de (298 + 423) 2 = 360 K son cp = 1009 kJ kg bull K y cv = 0722 kJ kg bull K (Tabla A-2)

Anaacutelisis (a) Se da cuenta de que X1 = Φ1 = 0 ya que el aire inicialmente estaacute en el estado muerto La masa de aire es

000234 kg

(0287 kPa m kg K) (298 K)

(100 kPa) (0002 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Tambieacuten

(2 L) = 0473 L

(600 kPa) (298 K)

(100 kPa) (423 K)

1

2 1

1 2

2

1

1 1

2

2 2 = ⎯⎯ rarr V = V =

V V

P T

P T

T

P

T

P

y

01608 kJ kg K

100 kPa

(0287 kJ kg K) ln 600 kPa

298 K

(1009 kJ kg K) En 423 K

ln ln

0

2

0

2

2 0 avg

= - sdot= sdot - sdot- = -

P

P

R

T

T

s s c p

Por lo tanto la exergiacutea de aire en el estado final es

[]

[]

= 0171kJ

+ sdot= sdot sdot= Φ = - - - + -

(100 kPa) (0000473- 0002) m [kJ m kPa]

(000234 kg) (0722 kJ kg K) (423- 298) K - (298 K) (- 01608 kJ kg K)

() () ()

3 3

X 2 m 2 cv avg T2 T0 T0 s2 P0 s0 V 2 V 0

(B) La entrada miacutenima de trabajo es el insumo trabajo reversible que puede ser determinada a partir de la exergiacutea

equilibrar mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

- = 0171kJ

= -

- - = Δ

= 0171 0

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

(C) La eficiencia de segunda ley de este proceso es

= = = 143

8-34 Un cilindro se llena inicialmente con R-134a en un estado especificado El refrigerante se enfriacutea y se condensa

a presioacuten constante La exergiacutea del refrigerante en los estados inicial y final y la exergiacutea destruida

durante este proceso son que se determine

Supuestos Las energiacuteas cineacutetica y potencial son despreciables

Propiedades de las tablas de refrigerante (Tablas A-11 a A-13)

10256 kJ kg K

27401 kJ kg

0034875 m kg

60 C

07 MPa

1

1

3

1

1

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

= 031958 kJ kg K

= 8444 kJ kg

= 00008261 m kg

24 C

07 MPa

2 24 C

2 24 C

3

2 24 C

2

2cong sdot

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 8: 8fds

(006855 Btu lbm R) En 15 psia

560 R

(0240 Btu lbm R) ln 3036 R

ln ln

1

2

1

2

aire

= sdot= sdot - sdotΔ = -

P

P

R

T

T

s c p

La diferencia exergiacutea entre los estados 1 y 2 es

3307 Btu lbm

(537 R) (001091 Btu lbm R)

15 psia

3036 R

150 psia

4384 Btu lbm (147 psia) (006855 Btu lbm R) 560 R

() ()

() ()

0 1 2

2

2

1

1

1 2 0

1 2 1 2 0 1 2 0 1 2

=sdot - - ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= + sdot -- - ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - + -

- = - + - - -

T s s

P

T

P

c T T P R T

u u P T s s

v

φ φ v v

El trabajo uacutetil se determina a partir

2721 Btu lbm

150 psia

560 R

15 psia

4384 Btu lbm (147 psia) (006855 Btu lbm R) 3036 R

() () ()

1

1

2

2

Fuera surr 1 2 0 2 1 1 2 0

=⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - sdot -⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - = - - - = - - -

P

T

P

w w w c T T T T P c P R T U B v v v v

La segunda ley es la eficiencia a continuacioacuten

= = 0823

Se consideran 8-31E aire y helio a estados especificados El gas con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Hipoacutetesis 1 cineacutetica y cambios de energiacutea potencial son despreciables 2 Aire y el helio son gases ideales con

calores especiacuteficos constantes

Propiedades de las propiedades del aire a temperatura ambiente son cp = 0240 BTU lbm bull R CV = 0171 BTU lbm bull R k =

14 y R = 006855 Btu lbm bull R = 03704 psiasdotft3 lbm bull R Para el helio cp = 125 Btu lbm bull R cv = 0753

Btu lbm bull R k = 1667 y R = 04961 Btu lbm bull R = 26809 psiasdotft3 lbm bull R (Tabla A-2E)

Anaacutelisis de la masa de aire en el sistema es

3552 lbm

(03704 psia pies lbm R) (R 760)

(100 psia) (10 ft)

3

3

=sdot sdot= =

RT

m PV

El cambio de entropiacutea de aire entre el estado dado y el estado muerto es

004808 Btu lbm R

147 psia

(006855 Btu lbm R) En 100 psia

537 R

(0240 Btu lbm R) En 760 R

ln ln

0 0

0

= - sdot

= sdot - sdot- = -

P

R P

T

s s c Tp

Voluacutemenes especiacuteficos del aire en el estado dado y el estado son muertos

2815 pies lbm

100 psia

(03704 psia pies lbm R) (760 R) 3

3

=sdot sdot= =

P

RT v

1353 pies lbm

147 psia

(03704 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

La exergiacutea especiacutefica sistema cerrado en el aire es entonces

3480 Btu lbm

(537 R) (004808) Btu lbm R

5404 pies psia

(0171 Btu lbm R) (300 77) R (147 psia) (2815 1353) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

La exergiacutea total disponible en el aire para la produccioacuten de trabajo es entonces

Φ = mφ = (3552 lbm) (3480 Btu lbm) = 1236 BTU

Ahora repetimos los caacutelculos para el helio

09043 lbm

(26809 psia pies lbm R) (R 660)

(80 psia) (20 pies)

3

3

=sdot sdot= =

RT

m PV

05827 Btu lbm R

147 psia

(04961 Btu lbm R) En 80 psiav

9793 pies lbm

147 psia

(26809 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

1993 Btu lbm

(537 R) (05827) Btu lbm R

5404 pies psia

(0753 Btu lbm R) (200 77) R (147 psia) (2212 9793) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

Φ = mφ = (09043 lbm) (1993 Btu lbm) = 1802 BTU

Comparacioacuten de los dos resultados muestra que el sistema de helio tiene un mayor potencial para la produccioacuten de trabajo

8-32 de vapor y R-134a en los mismos estados son considerados El fluido con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Supuestos cineacuteticos y los cambios de energiacutea potencial son despreciables

Anaacutelisis Las propiedades del agua en el estado dado y en el estado son muertos

(Tabla A- 4)

03672 kJ kg K

0001003 m kg

10483 kJ kg

100 kPa

25 C

(Tabla A- 6)

67155 kJ kg K

024720 m kg

25947 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

La exergiacutea de vapor es

[]

= 6227 kJ⎥ ⎥ ⎥ ⎦⎤⎢ ⎢ ⎢

⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (67155 03672) kJ kg K

1 kPa m

(25947 10483) kJ kg (100 kPa) (024720 0001003) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Para R-134a

(Cuadro A-11)

032432 kJ kg K

00008286 m kg

8585 kJ kg

100 kPa

25 C

(Cuadro A-13)

13327 kJ kg K

0044554 m kg

38699 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

[]

= 502 kJ⎥ ⎥ ⎥⎦⎤⎢ ⎢ ⎢⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (13327 032432) kJ kg K

1 kPa m

(38699 8585) kJ kg (100 kPa) (0044554 00008286) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Por tanto el vapor puede tiene maacutes potencial de trabajo que el R-134a

la entrada de un trabajo uacutetil se mide La exergiacutea del aire en los estados inicial y final y el miacutenimo

trabajar de entrada para llevar a cabo este proceso de compresioacuten y la eficiencia de segunda ley se determinaraacuten

Hipoacutetesis 1 del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes 2 Las energiacuteas cineacutetica y potencial son

insignificante

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kPam3 kgK (Tabla A-1) Los calores especiacuteficos de aire en el

temperatura promedio de (298 + 423) 2 = 360 K son cp = 1009 kJ kg bull K y cv = 0722 kJ kg bull K (Tabla A-2)

Anaacutelisis (a) Se da cuenta de que X1 = Φ1 = 0 ya que el aire inicialmente estaacute en el estado muerto La masa de aire es

000234 kg

(0287 kPa m kg K) (298 K)

(100 kPa) (0002 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Tambieacuten

(2 L) = 0473 L

(600 kPa) (298 K)

(100 kPa) (423 K)

1

2 1

1 2

2

1

1 1

2

2 2 = ⎯⎯ rarr V = V =

V V

P T

P T

T

P

T

P

y

01608 kJ kg K

100 kPa

(0287 kJ kg K) ln 600 kPa

298 K

(1009 kJ kg K) En 423 K

ln ln

0

2

0

2

2 0 avg

= - sdot= sdot - sdot- = -

P

P

R

T

T

s s c p

Por lo tanto la exergiacutea de aire en el estado final es

[]

[]

= 0171kJ

+ sdot= sdot sdot= Φ = - - - + -

(100 kPa) (0000473- 0002) m [kJ m kPa]

(000234 kg) (0722 kJ kg K) (423- 298) K - (298 K) (- 01608 kJ kg K)

() () ()

3 3

X 2 m 2 cv avg T2 T0 T0 s2 P0 s0 V 2 V 0

(B) La entrada miacutenima de trabajo es el insumo trabajo reversible que puede ser determinada a partir de la exergiacutea

equilibrar mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

- = 0171kJ

= -

- - = Δ

= 0171 0

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

(C) La eficiencia de segunda ley de este proceso es

= = = 143

8-34 Un cilindro se llena inicialmente con R-134a en un estado especificado El refrigerante se enfriacutea y se condensa

a presioacuten constante La exergiacutea del refrigerante en los estados inicial y final y la exergiacutea destruida

durante este proceso son que se determine

Supuestos Las energiacuteas cineacutetica y potencial son despreciables

Propiedades de las tablas de refrigerante (Tablas A-11 a A-13)

10256 kJ kg K

27401 kJ kg

0034875 m kg

60 C

07 MPa

1

1

3

1

1

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

= 031958 kJ kg K

= 8444 kJ kg

= 00008261 m kg

24 C

07 MPa

2 24 C

2 24 C

3

2 24 C

2

2cong sdot

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

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2

1

1

1 2 0

1 2 1 2 0 1 2 0 1 2

=sdot - - ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= + sdot -- - ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - + -

- = - + - - -

T s s

P

T

P

c T T P R T

u u P T s s

v

φ φ v v

El trabajo uacutetil se determina a partir

2721 Btu lbm

150 psia

560 R

15 psia

4384 Btu lbm (147 psia) (006855 Btu lbm R) 3036 R

() () ()

1

1

2

2

Fuera surr 1 2 0 2 1 1 2 0

=⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - sdot -⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - = - - - = - - -

P

T

P

w w w c T T T T P c P R T U B v v v v

La segunda ley es la eficiencia a continuacioacuten

= = 0823

Se consideran 8-31E aire y helio a estados especificados El gas con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Hipoacutetesis 1 cineacutetica y cambios de energiacutea potencial son despreciables 2 Aire y el helio son gases ideales con

calores especiacuteficos constantes

Propiedades de las propiedades del aire a temperatura ambiente son cp = 0240 BTU lbm bull R CV = 0171 BTU lbm bull R k =

14 y R = 006855 Btu lbm bull R = 03704 psiasdotft3 lbm bull R Para el helio cp = 125 Btu lbm bull R cv = 0753

Btu lbm bull R k = 1667 y R = 04961 Btu lbm bull R = 26809 psiasdotft3 lbm bull R (Tabla A-2E)

Anaacutelisis de la masa de aire en el sistema es

3552 lbm

(03704 psia pies lbm R) (R 760)

(100 psia) (10 ft)

3

3

=sdot sdot= =

RT

m PV

El cambio de entropiacutea de aire entre el estado dado y el estado muerto es

004808 Btu lbm R

147 psia

(006855 Btu lbm R) En 100 psia

537 R

(0240 Btu lbm R) En 760 R

ln ln

0 0

0

= - sdot

= sdot - sdot- = -

P

R P

T

s s c Tp

Voluacutemenes especiacuteficos del aire en el estado dado y el estado son muertos

2815 pies lbm

100 psia

(03704 psia pies lbm R) (760 R) 3

3

=sdot sdot= =

P

RT v

1353 pies lbm

147 psia

(03704 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

La exergiacutea especiacutefica sistema cerrado en el aire es entonces

3480 Btu lbm

(537 R) (004808) Btu lbm R

5404 pies psia

(0171 Btu lbm R) (300 77) R (147 psia) (2815 1353) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

La exergiacutea total disponible en el aire para la produccioacuten de trabajo es entonces

Φ = mφ = (3552 lbm) (3480 Btu lbm) = 1236 BTU

Ahora repetimos los caacutelculos para el helio

09043 lbm

(26809 psia pies lbm R) (R 660)

(80 psia) (20 pies)

3

3

=sdot sdot= =

RT

m PV

05827 Btu lbm R

147 psia

(04961 Btu lbm R) En 80 psiav

9793 pies lbm

147 psia

(26809 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

1993 Btu lbm

(537 R) (05827) Btu lbm R

5404 pies psia

(0753 Btu lbm R) (200 77) R (147 psia) (2212 9793) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

Φ = mφ = (09043 lbm) (1993 Btu lbm) = 1802 BTU

Comparacioacuten de los dos resultados muestra que el sistema de helio tiene un mayor potencial para la produccioacuten de trabajo

8-32 de vapor y R-134a en los mismos estados son considerados El fluido con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Supuestos cineacuteticos y los cambios de energiacutea potencial son despreciables

Anaacutelisis Las propiedades del agua en el estado dado y en el estado son muertos

(Tabla A- 4)

03672 kJ kg K

0001003 m kg

10483 kJ kg

100 kPa

25 C

(Tabla A- 6)

67155 kJ kg K

024720 m kg

25947 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

La exergiacutea de vapor es

[]

= 6227 kJ⎥ ⎥ ⎥ ⎦⎤⎢ ⎢ ⎢

⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (67155 03672) kJ kg K

1 kPa m

(25947 10483) kJ kg (100 kPa) (024720 0001003) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Para R-134a

(Cuadro A-11)

032432 kJ kg K

00008286 m kg

8585 kJ kg

100 kPa

25 C

(Cuadro A-13)

13327 kJ kg K

0044554 m kg

38699 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

[]

= 502 kJ⎥ ⎥ ⎥⎦⎤⎢ ⎢ ⎢⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (13327 032432) kJ kg K

1 kPa m

(38699 8585) kJ kg (100 kPa) (0044554 00008286) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Por tanto el vapor puede tiene maacutes potencial de trabajo que el R-134a

la entrada de un trabajo uacutetil se mide La exergiacutea del aire en los estados inicial y final y el miacutenimo

trabajar de entrada para llevar a cabo este proceso de compresioacuten y la eficiencia de segunda ley se determinaraacuten

Hipoacutetesis 1 del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes 2 Las energiacuteas cineacutetica y potencial son

insignificante

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kPam3 kgK (Tabla A-1) Los calores especiacuteficos de aire en el

temperatura promedio de (298 + 423) 2 = 360 K son cp = 1009 kJ kg bull K y cv = 0722 kJ kg bull K (Tabla A-2)

Anaacutelisis (a) Se da cuenta de que X1 = Φ1 = 0 ya que el aire inicialmente estaacute en el estado muerto La masa de aire es

000234 kg

(0287 kPa m kg K) (298 K)

(100 kPa) (0002 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Tambieacuten

(2 L) = 0473 L

(600 kPa) (298 K)

(100 kPa) (423 K)

1

2 1

1 2

2

1

1 1

2

2 2 = ⎯⎯ rarr V = V =

V V

P T

P T

T

P

T

P

y

01608 kJ kg K

100 kPa

(0287 kJ kg K) ln 600 kPa

298 K

(1009 kJ kg K) En 423 K

ln ln

0

2

0

2

2 0 avg

= - sdot= sdot - sdot- = -

P

P

R

T

T

s s c p

Por lo tanto la exergiacutea de aire en el estado final es

[]

[]

= 0171kJ

+ sdot= sdot sdot= Φ = - - - + -

(100 kPa) (0000473- 0002) m [kJ m kPa]

(000234 kg) (0722 kJ kg K) (423- 298) K - (298 K) (- 01608 kJ kg K)

() () ()

3 3

X 2 m 2 cv avg T2 T0 T0 s2 P0 s0 V 2 V 0

(B) La entrada miacutenima de trabajo es el insumo trabajo reversible que puede ser determinada a partir de la exergiacutea

equilibrar mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

- = 0171kJ

= -

- - = Δ

= 0171 0

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

(C) La eficiencia de segunda ley de este proceso es

= = = 143

8-34 Un cilindro se llena inicialmente con R-134a en un estado especificado El refrigerante se enfriacutea y se condensa

a presioacuten constante La exergiacutea del refrigerante en los estados inicial y final y la exergiacutea destruida

durante este proceso son que se determine

Supuestos Las energiacuteas cineacutetica y potencial son despreciables

Propiedades de las tablas de refrigerante (Tablas A-11 a A-13)

10256 kJ kg K

27401 kJ kg

0034875 m kg

60 C

07 MPa

1

1

3

1

1

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

= 031958 kJ kg K

= 8444 kJ kg

= 00008261 m kg

24 C

07 MPa

2 24 C

2 24 C

3

2 24 C

2

2cong sdot

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 10: 8fds

150 psia

560 R

15 psia

4384 Btu lbm (147 psia) (006855 Btu lbm R) 3036 R

() () ()

1

1

2

2

Fuera surr 1 2 0 2 1 1 2 0

=⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - sdot -⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= - = - - - = - - -

P

T

P

w w w c T T T T P c P R T U B v v v v

La segunda ley es la eficiencia a continuacioacuten

= = 0823

Se consideran 8-31E aire y helio a estados especificados El gas con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Hipoacutetesis 1 cineacutetica y cambios de energiacutea potencial son despreciables 2 Aire y el helio son gases ideales con

calores especiacuteficos constantes

Propiedades de las propiedades del aire a temperatura ambiente son cp = 0240 BTU lbm bull R CV = 0171 BTU lbm bull R k =

14 y R = 006855 Btu lbm bull R = 03704 psiasdotft3 lbm bull R Para el helio cp = 125 Btu lbm bull R cv = 0753

Btu lbm bull R k = 1667 y R = 04961 Btu lbm bull R = 26809 psiasdotft3 lbm bull R (Tabla A-2E)

Anaacutelisis de la masa de aire en el sistema es

3552 lbm

(03704 psia pies lbm R) (R 760)

(100 psia) (10 ft)

3

3

=sdot sdot= =

RT

m PV

El cambio de entropiacutea de aire entre el estado dado y el estado muerto es

004808 Btu lbm R

147 psia

(006855 Btu lbm R) En 100 psia

537 R

(0240 Btu lbm R) En 760 R

ln ln

0 0

0

= - sdot

= sdot - sdot- = -

P

R P

T

s s c Tp

Voluacutemenes especiacuteficos del aire en el estado dado y el estado son muertos

2815 pies lbm

100 psia

(03704 psia pies lbm R) (760 R) 3

3

=sdot sdot= =

P

RT v

1353 pies lbm

147 psia

(03704 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

La exergiacutea especiacutefica sistema cerrado en el aire es entonces

3480 Btu lbm

(537 R) (004808) Btu lbm R

5404 pies psia

(0171 Btu lbm R) (300 77) R (147 psia) (2815 1353) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

La exergiacutea total disponible en el aire para la produccioacuten de trabajo es entonces

Φ = mφ = (3552 lbm) (3480 Btu lbm) = 1236 BTU

Ahora repetimos los caacutelculos para el helio

09043 lbm

(26809 psia pies lbm R) (R 660)

(80 psia) (20 pies)

3

3

=sdot sdot= =

RT

m PV

05827 Btu lbm R

147 psia

(04961 Btu lbm R) En 80 psiav

9793 pies lbm

147 psia

(26809 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

1993 Btu lbm

(537 R) (05827) Btu lbm R

5404 pies psia

(0753 Btu lbm R) (200 77) R (147 psia) (2212 9793) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

Φ = mφ = (09043 lbm) (1993 Btu lbm) = 1802 BTU

Comparacioacuten de los dos resultados muestra que el sistema de helio tiene un mayor potencial para la produccioacuten de trabajo

8-32 de vapor y R-134a en los mismos estados son considerados El fluido con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Supuestos cineacuteticos y los cambios de energiacutea potencial son despreciables

Anaacutelisis Las propiedades del agua en el estado dado y en el estado son muertos

(Tabla A- 4)

03672 kJ kg K

0001003 m kg

10483 kJ kg

100 kPa

25 C

(Tabla A- 6)

67155 kJ kg K

024720 m kg

25947 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

La exergiacutea de vapor es

[]

= 6227 kJ⎥ ⎥ ⎥ ⎦⎤⎢ ⎢ ⎢

⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (67155 03672) kJ kg K

1 kPa m

(25947 10483) kJ kg (100 kPa) (024720 0001003) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Para R-134a

(Cuadro A-11)

032432 kJ kg K

00008286 m kg

8585 kJ kg

100 kPa

25 C

(Cuadro A-13)

13327 kJ kg K

0044554 m kg

38699 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

[]

= 502 kJ⎥ ⎥ ⎥⎦⎤⎢ ⎢ ⎢⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (13327 032432) kJ kg K

1 kPa m

(38699 8585) kJ kg (100 kPa) (0044554 00008286) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Por tanto el vapor puede tiene maacutes potencial de trabajo que el R-134a

la entrada de un trabajo uacutetil se mide La exergiacutea del aire en los estados inicial y final y el miacutenimo

trabajar de entrada para llevar a cabo este proceso de compresioacuten y la eficiencia de segunda ley se determinaraacuten

Hipoacutetesis 1 del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes 2 Las energiacuteas cineacutetica y potencial son

insignificante

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kPam3 kgK (Tabla A-1) Los calores especiacuteficos de aire en el

temperatura promedio de (298 + 423) 2 = 360 K son cp = 1009 kJ kg bull K y cv = 0722 kJ kg bull K (Tabla A-2)

Anaacutelisis (a) Se da cuenta de que X1 = Φ1 = 0 ya que el aire inicialmente estaacute en el estado muerto La masa de aire es

000234 kg

(0287 kPa m kg K) (298 K)

(100 kPa) (0002 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Tambieacuten

(2 L) = 0473 L

(600 kPa) (298 K)

(100 kPa) (423 K)

1

2 1

1 2

2

1

1 1

2

2 2 = ⎯⎯ rarr V = V =

V V

P T

P T

T

P

T

P

y

01608 kJ kg K

100 kPa

(0287 kJ kg K) ln 600 kPa

298 K

(1009 kJ kg K) En 423 K

ln ln

0

2

0

2

2 0 avg

= - sdot= sdot - sdot- = -

P

P

R

T

T

s s c p

Por lo tanto la exergiacutea de aire en el estado final es

[]

[]

= 0171kJ

+ sdot= sdot sdot= Φ = - - - + -

(100 kPa) (0000473- 0002) m [kJ m kPa]

(000234 kg) (0722 kJ kg K) (423- 298) K - (298 K) (- 01608 kJ kg K)

() () ()

3 3

X 2 m 2 cv avg T2 T0 T0 s2 P0 s0 V 2 V 0

(B) La entrada miacutenima de trabajo es el insumo trabajo reversible que puede ser determinada a partir de la exergiacutea

equilibrar mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

- = 0171kJ

= -

- - = Δ

= 0171 0

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

(C) La eficiencia de segunda ley de este proceso es

= = = 143

8-34 Un cilindro se llena inicialmente con R-134a en un estado especificado El refrigerante se enfriacutea y se condensa

a presioacuten constante La exergiacutea del refrigerante en los estados inicial y final y la exergiacutea destruida

durante este proceso son que se determine

Supuestos Las energiacuteas cineacutetica y potencial son despreciables

Propiedades de las tablas de refrigerante (Tablas A-11 a A-13)

10256 kJ kg K

27401 kJ kg

0034875 m kg

60 C

07 MPa

1

1

3

1

1

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

= 031958 kJ kg K

= 8444 kJ kg

= 00008261 m kg

24 C

07 MPa

2 24 C

2 24 C

3

2 24 C

2

2cong sdot

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 11: 8fds

identificado

Hipoacutetesis 1 cineacutetica y cambios de energiacutea potencial son despreciables 2 Aire y el helio son gases ideales con

calores especiacuteficos constantes

Propiedades de las propiedades del aire a temperatura ambiente son cp = 0240 BTU lbm bull R CV = 0171 BTU lbm bull R k =

14 y R = 006855 Btu lbm bull R = 03704 psiasdotft3 lbm bull R Para el helio cp = 125 Btu lbm bull R cv = 0753

Btu lbm bull R k = 1667 y R = 04961 Btu lbm bull R = 26809 psiasdotft3 lbm bull R (Tabla A-2E)

Anaacutelisis de la masa de aire en el sistema es

3552 lbm

(03704 psia pies lbm R) (R 760)

(100 psia) (10 ft)

3

3

=sdot sdot= =

RT

m PV

El cambio de entropiacutea de aire entre el estado dado y el estado muerto es

004808 Btu lbm R

147 psia

(006855 Btu lbm R) En 100 psia

537 R

(0240 Btu lbm R) En 760 R

ln ln

0 0

0

= - sdot

= sdot - sdot- = -

P

R P

T

s s c Tp

Voluacutemenes especiacuteficos del aire en el estado dado y el estado son muertos

2815 pies lbm

100 psia

(03704 psia pies lbm R) (760 R) 3

3

=sdot sdot= =

P

RT v

1353 pies lbm

147 psia

(03704 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

La exergiacutea especiacutefica sistema cerrado en el aire es entonces

3480 Btu lbm

(537 R) (004808) Btu lbm R

5404 pies psia

(0171 Btu lbm R) (300 77) R (147 psia) (2815 1353) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

La exergiacutea total disponible en el aire para la produccioacuten de trabajo es entonces

Φ = mφ = (3552 lbm) (3480 Btu lbm) = 1236 BTU

Ahora repetimos los caacutelculos para el helio

09043 lbm

(26809 psia pies lbm R) (R 660)

(80 psia) (20 pies)

3

3

=sdot sdot= =

RT

m PV

05827 Btu lbm R

147 psia

(04961 Btu lbm R) En 80 psiav

9793 pies lbm

147 psia

(26809 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

1993 Btu lbm

(537 R) (05827) Btu lbm R

5404 pies psia

(0753 Btu lbm R) (200 77) R (147 psia) (2212 9793) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

Φ = mφ = (09043 lbm) (1993 Btu lbm) = 1802 BTU

Comparacioacuten de los dos resultados muestra que el sistema de helio tiene un mayor potencial para la produccioacuten de trabajo

8-32 de vapor y R-134a en los mismos estados son considerados El fluido con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Supuestos cineacuteticos y los cambios de energiacutea potencial son despreciables

Anaacutelisis Las propiedades del agua en el estado dado y en el estado son muertos

(Tabla A- 4)

03672 kJ kg K

0001003 m kg

10483 kJ kg

100 kPa

25 C

(Tabla A- 6)

67155 kJ kg K

024720 m kg

25947 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

La exergiacutea de vapor es

[]

= 6227 kJ⎥ ⎥ ⎥ ⎦⎤⎢ ⎢ ⎢

⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (67155 03672) kJ kg K

1 kPa m

(25947 10483) kJ kg (100 kPa) (024720 0001003) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Para R-134a

(Cuadro A-11)

032432 kJ kg K

00008286 m kg

8585 kJ kg

100 kPa

25 C

(Cuadro A-13)

13327 kJ kg K

0044554 m kg

38699 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

[]

= 502 kJ⎥ ⎥ ⎥⎦⎤⎢ ⎢ ⎢⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (13327 032432) kJ kg K

1 kPa m

(38699 8585) kJ kg (100 kPa) (0044554 00008286) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Por tanto el vapor puede tiene maacutes potencial de trabajo que el R-134a

la entrada de un trabajo uacutetil se mide La exergiacutea del aire en los estados inicial y final y el miacutenimo

trabajar de entrada para llevar a cabo este proceso de compresioacuten y la eficiencia de segunda ley se determinaraacuten

Hipoacutetesis 1 del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes 2 Las energiacuteas cineacutetica y potencial son

insignificante

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kPam3 kgK (Tabla A-1) Los calores especiacuteficos de aire en el

temperatura promedio de (298 + 423) 2 = 360 K son cp = 1009 kJ kg bull K y cv = 0722 kJ kg bull K (Tabla A-2)

Anaacutelisis (a) Se da cuenta de que X1 = Φ1 = 0 ya que el aire inicialmente estaacute en el estado muerto La masa de aire es

000234 kg

(0287 kPa m kg K) (298 K)

(100 kPa) (0002 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Tambieacuten

(2 L) = 0473 L

(600 kPa) (298 K)

(100 kPa) (423 K)

1

2 1

1 2

2

1

1 1

2

2 2 = ⎯⎯ rarr V = V =

V V

P T

P T

T

P

T

P

y

01608 kJ kg K

100 kPa

(0287 kJ kg K) ln 600 kPa

298 K

(1009 kJ kg K) En 423 K

ln ln

0

2

0

2

2 0 avg

= - sdot= sdot - sdot- = -

P

P

R

T

T

s s c p

Por lo tanto la exergiacutea de aire en el estado final es

[]

[]

= 0171kJ

+ sdot= sdot sdot= Φ = - - - + -

(100 kPa) (0000473- 0002) m [kJ m kPa]

(000234 kg) (0722 kJ kg K) (423- 298) K - (298 K) (- 01608 kJ kg K)

() () ()

3 3

X 2 m 2 cv avg T2 T0 T0 s2 P0 s0 V 2 V 0

(B) La entrada miacutenima de trabajo es el insumo trabajo reversible que puede ser determinada a partir de la exergiacutea

equilibrar mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

- = 0171kJ

= -

- - = Δ

= 0171 0

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

(C) La eficiencia de segunda ley de este proceso es

= = = 143

8-34 Un cilindro se llena inicialmente con R-134a en un estado especificado El refrigerante se enfriacutea y se condensa

a presioacuten constante La exergiacutea del refrigerante en los estados inicial y final y la exergiacutea destruida

durante este proceso son que se determine

Supuestos Las energiacuteas cineacutetica y potencial son despreciables

Propiedades de las tablas de refrigerante (Tablas A-11 a A-13)

10256 kJ kg K

27401 kJ kg

0034875 m kg

60 C

07 MPa

1

1

3

1

1

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

= 031958 kJ kg K

= 8444 kJ kg

= 00008261 m kg

24 C

07 MPa

2 24 C

2 24 C

3

2 24 C

2

2cong sdot

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 12: 8fds

= sdot - sdot- = -

P

R P

T

s s c Tp

Voluacutemenes especiacuteficos del aire en el estado dado y el estado son muertos

2815 pies lbm

100 psia

(03704 psia pies lbm R) (760 R) 3

3

=sdot sdot= =

P

RT v

1353 pies lbm

147 psia

(03704 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

La exergiacutea especiacutefica sistema cerrado en el aire es entonces

3480 Btu lbm

(537 R) (004808) Btu lbm R

5404 pies psia

(0171 Btu lbm R) (300 77) R (147 psia) (2815 1353) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

La exergiacutea total disponible en el aire para la produccioacuten de trabajo es entonces

Φ = mφ = (3552 lbm) (3480 Btu lbm) = 1236 BTU

Ahora repetimos los caacutelculos para el helio

09043 lbm

(26809 psia pies lbm R) (R 660)

(80 psia) (20 pies)

3

3

=sdot sdot= =

RT

m PV

05827 Btu lbm R

147 psia

(04961 Btu lbm R) En 80 psiav

9793 pies lbm

147 psia

(26809 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

1993 Btu lbm

(537 R) (05827) Btu lbm R

5404 pies psia

(0753 Btu lbm R) (200 77) R (147 psia) (2212 9793) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

Φ = mφ = (09043 lbm) (1993 Btu lbm) = 1802 BTU

Comparacioacuten de los dos resultados muestra que el sistema de helio tiene un mayor potencial para la produccioacuten de trabajo

8-32 de vapor y R-134a en los mismos estados son considerados El fluido con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Supuestos cineacuteticos y los cambios de energiacutea potencial son despreciables

Anaacutelisis Las propiedades del agua en el estado dado y en el estado son muertos

(Tabla A- 4)

03672 kJ kg K

0001003 m kg

10483 kJ kg

100 kPa

25 C

(Tabla A- 6)

67155 kJ kg K

024720 m kg

25947 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

La exergiacutea de vapor es

[]

= 6227 kJ⎥ ⎥ ⎥ ⎦⎤⎢ ⎢ ⎢

⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (67155 03672) kJ kg K

1 kPa m

(25947 10483) kJ kg (100 kPa) (024720 0001003) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Para R-134a

(Cuadro A-11)

032432 kJ kg K

00008286 m kg

8585 kJ kg

100 kPa

25 C

(Cuadro A-13)

13327 kJ kg K

0044554 m kg

38699 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

[]

= 502 kJ⎥ ⎥ ⎥⎦⎤⎢ ⎢ ⎢⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (13327 032432) kJ kg K

1 kPa m

(38699 8585) kJ kg (100 kPa) (0044554 00008286) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Por tanto el vapor puede tiene maacutes potencial de trabajo que el R-134a

la entrada de un trabajo uacutetil se mide La exergiacutea del aire en los estados inicial y final y el miacutenimo

trabajar de entrada para llevar a cabo este proceso de compresioacuten y la eficiencia de segunda ley se determinaraacuten

Hipoacutetesis 1 del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes 2 Las energiacuteas cineacutetica y potencial son

insignificante

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kPam3 kgK (Tabla A-1) Los calores especiacuteficos de aire en el

temperatura promedio de (298 + 423) 2 = 360 K son cp = 1009 kJ kg bull K y cv = 0722 kJ kg bull K (Tabla A-2)

Anaacutelisis (a) Se da cuenta de que X1 = Φ1 = 0 ya que el aire inicialmente estaacute en el estado muerto La masa de aire es

000234 kg

(0287 kPa m kg K) (298 K)

(100 kPa) (0002 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Tambieacuten

(2 L) = 0473 L

(600 kPa) (298 K)

(100 kPa) (423 K)

1

2 1

1 2

2

1

1 1

2

2 2 = ⎯⎯ rarr V = V =

V V

P T

P T

T

P

T

P

y

01608 kJ kg K

100 kPa

(0287 kJ kg K) ln 600 kPa

298 K

(1009 kJ kg K) En 423 K

ln ln

0

2

0

2

2 0 avg

= - sdot= sdot - sdot- = -

P

P

R

T

T

s s c p

Por lo tanto la exergiacutea de aire en el estado final es

[]

[]

= 0171kJ

+ sdot= sdot sdot= Φ = - - - + -

(100 kPa) (0000473- 0002) m [kJ m kPa]

(000234 kg) (0722 kJ kg K) (423- 298) K - (298 K) (- 01608 kJ kg K)

() () ()

3 3

X 2 m 2 cv avg T2 T0 T0 s2 P0 s0 V 2 V 0

(B) La entrada miacutenima de trabajo es el insumo trabajo reversible que puede ser determinada a partir de la exergiacutea

equilibrar mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

- = 0171kJ

= -

- - = Δ

= 0171 0

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

(C) La eficiencia de segunda ley de este proceso es

= = = 143

8-34 Un cilindro se llena inicialmente con R-134a en un estado especificado El refrigerante se enfriacutea y se condensa

a presioacuten constante La exergiacutea del refrigerante en los estados inicial y final y la exergiacutea destruida

durante este proceso son que se determine

Supuestos Las energiacuteas cineacutetica y potencial son despreciables

Propiedades de las tablas de refrigerante (Tablas A-11 a A-13)

10256 kJ kg K

27401 kJ kg

0034875 m kg

60 C

07 MPa

1

1

3

1

1

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

= 031958 kJ kg K

= 8444 kJ kg

= 00008261 m kg

24 C

07 MPa

2 24 C

2 24 C

3

2 24 C

2

2cong sdot

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 13: 8fds

3480 Btu lbm

(537 R) (004808) Btu lbm R

5404 pies psia

(0171 Btu lbm R) (300 77) R (147 psia) (2815 1353) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

La exergiacutea total disponible en el aire para la produccioacuten de trabajo es entonces

Φ = mφ = (3552 lbm) (3480 Btu lbm) = 1236 BTU

Ahora repetimos los caacutelculos para el helio

09043 lbm

(26809 psia pies lbm R) (R 660)

(80 psia) (20 pies)

3

3

=sdot sdot= =

RT

m PV

05827 Btu lbm R

147 psia

(04961 Btu lbm R) En 80 psiav

9793 pies lbm

147 psia

(26809 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

1993 Btu lbm

(537 R) (05827) Btu lbm R

5404 pies psia

(0753 Btu lbm R) (200 77) R (147 psia) (2212 9793) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

Φ = mφ = (09043 lbm) (1993 Btu lbm) = 1802 BTU

Comparacioacuten de los dos resultados muestra que el sistema de helio tiene un mayor potencial para la produccioacuten de trabajo

8-32 de vapor y R-134a en los mismos estados son considerados El fluido con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Supuestos cineacuteticos y los cambios de energiacutea potencial son despreciables

Anaacutelisis Las propiedades del agua en el estado dado y en el estado son muertos

(Tabla A- 4)

03672 kJ kg K

0001003 m kg

10483 kJ kg

100 kPa

25 C

(Tabla A- 6)

67155 kJ kg K

024720 m kg

25947 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

La exergiacutea de vapor es

[]

= 6227 kJ⎥ ⎥ ⎥ ⎦⎤⎢ ⎢ ⎢

⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (67155 03672) kJ kg K

1 kPa m

(25947 10483) kJ kg (100 kPa) (024720 0001003) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Para R-134a

(Cuadro A-11)

032432 kJ kg K

00008286 m kg

8585 kJ kg

100 kPa

25 C

(Cuadro A-13)

13327 kJ kg K

0044554 m kg

38699 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

[]

= 502 kJ⎥ ⎥ ⎥⎦⎤⎢ ⎢ ⎢⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (13327 032432) kJ kg K

1 kPa m

(38699 8585) kJ kg (100 kPa) (0044554 00008286) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Por tanto el vapor puede tiene maacutes potencial de trabajo que el R-134a

la entrada de un trabajo uacutetil se mide La exergiacutea del aire en los estados inicial y final y el miacutenimo

trabajar de entrada para llevar a cabo este proceso de compresioacuten y la eficiencia de segunda ley se determinaraacuten

Hipoacutetesis 1 del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes 2 Las energiacuteas cineacutetica y potencial son

insignificante

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kPam3 kgK (Tabla A-1) Los calores especiacuteficos de aire en el

temperatura promedio de (298 + 423) 2 = 360 K son cp = 1009 kJ kg bull K y cv = 0722 kJ kg bull K (Tabla A-2)

Anaacutelisis (a) Se da cuenta de que X1 = Φ1 = 0 ya que el aire inicialmente estaacute en el estado muerto La masa de aire es

000234 kg

(0287 kPa m kg K) (298 K)

(100 kPa) (0002 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Tambieacuten

(2 L) = 0473 L

(600 kPa) (298 K)

(100 kPa) (423 K)

1

2 1

1 2

2

1

1 1

2

2 2 = ⎯⎯ rarr V = V =

V V

P T

P T

T

P

T

P

y

01608 kJ kg K

100 kPa

(0287 kJ kg K) ln 600 kPa

298 K

(1009 kJ kg K) En 423 K

ln ln

0

2

0

2

2 0 avg

= - sdot= sdot - sdot- = -

P

P

R

T

T

s s c p

Por lo tanto la exergiacutea de aire en el estado final es

[]

[]

= 0171kJ

+ sdot= sdot sdot= Φ = - - - + -

(100 kPa) (0000473- 0002) m [kJ m kPa]

(000234 kg) (0722 kJ kg K) (423- 298) K - (298 K) (- 01608 kJ kg K)

() () ()

3 3

X 2 m 2 cv avg T2 T0 T0 s2 P0 s0 V 2 V 0

(B) La entrada miacutenima de trabajo es el insumo trabajo reversible que puede ser determinada a partir de la exergiacutea

equilibrar mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

- = 0171kJ

= -

- - = Δ

= 0171 0

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

(C) La eficiencia de segunda ley de este proceso es

= = = 143

8-34 Un cilindro se llena inicialmente con R-134a en un estado especificado El refrigerante se enfriacutea y se condensa

a presioacuten constante La exergiacutea del refrigerante en los estados inicial y final y la exergiacutea destruida

durante este proceso son que se determine

Supuestos Las energiacuteas cineacutetica y potencial son despreciables

Propiedades de las tablas de refrigerante (Tablas A-11 a A-13)

10256 kJ kg K

27401 kJ kg

0034875 m kg

60 C

07 MPa

1

1

3

1

1

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

= 031958 kJ kg K

= 8444 kJ kg

= 00008261 m kg

24 C

07 MPa

2 24 C

2 24 C

3

2 24 C

2

2cong sdot

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 14: 8fds

Φ = mφ = (3552 lbm) (3480 Btu lbm) = 1236 BTU

Ahora repetimos los caacutelculos para el helio

09043 lbm

(26809 psia pies lbm R) (R 660)

(80 psia) (20 pies)

3

3

=sdot sdot= =

RT

m PV

05827 Btu lbm R

147 psia

(04961 Btu lbm R) En 80 psiav

9793 pies lbm

147 psia

(26809 psia pies lbm R) (537 R) 3

3

0

0

0 =sdot sdot= =

P

RT

v

1993 Btu lbm

(537 R) (05827) Btu lbm R

5404 pies psia

(0753 Btu lbm R) (200 77) R (147 psia) (2212 9793) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

Φ = mφ = (09043 lbm) (1993 Btu lbm) = 1802 BTU

Comparacioacuten de los dos resultados muestra que el sistema de helio tiene un mayor potencial para la produccioacuten de trabajo

8-32 de vapor y R-134a en los mismos estados son considerados El fluido con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Supuestos cineacuteticos y los cambios de energiacutea potencial son despreciables

Anaacutelisis Las propiedades del agua en el estado dado y en el estado son muertos

(Tabla A- 4)

03672 kJ kg K

0001003 m kg

10483 kJ kg

100 kPa

25 C

(Tabla A- 6)

67155 kJ kg K

024720 m kg

25947 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

La exergiacutea de vapor es

[]

= 6227 kJ⎥ ⎥ ⎥ ⎦⎤⎢ ⎢ ⎢

⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (67155 03672) kJ kg K

1 kPa m

(25947 10483) kJ kg (100 kPa) (024720 0001003) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Para R-134a

(Cuadro A-11)

032432 kJ kg K

00008286 m kg

8585 kJ kg

100 kPa

25 C

(Cuadro A-13)

13327 kJ kg K

0044554 m kg

38699 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

[]

= 502 kJ⎥ ⎥ ⎥⎦⎤⎢ ⎢ ⎢⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (13327 032432) kJ kg K

1 kPa m

(38699 8585) kJ kg (100 kPa) (0044554 00008286) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Por tanto el vapor puede tiene maacutes potencial de trabajo que el R-134a

la entrada de un trabajo uacutetil se mide La exergiacutea del aire en los estados inicial y final y el miacutenimo

trabajar de entrada para llevar a cabo este proceso de compresioacuten y la eficiencia de segunda ley se determinaraacuten

Hipoacutetesis 1 del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes 2 Las energiacuteas cineacutetica y potencial son

insignificante

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kPam3 kgK (Tabla A-1) Los calores especiacuteficos de aire en el

temperatura promedio de (298 + 423) 2 = 360 K son cp = 1009 kJ kg bull K y cv = 0722 kJ kg bull K (Tabla A-2)

Anaacutelisis (a) Se da cuenta de que X1 = Φ1 = 0 ya que el aire inicialmente estaacute en el estado muerto La masa de aire es

000234 kg

(0287 kPa m kg K) (298 K)

(100 kPa) (0002 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Tambieacuten

(2 L) = 0473 L

(600 kPa) (298 K)

(100 kPa) (423 K)

1

2 1

1 2

2

1

1 1

2

2 2 = ⎯⎯ rarr V = V =

V V

P T

P T

T

P

T

P

y

01608 kJ kg K

100 kPa

(0287 kJ kg K) ln 600 kPa

298 K

(1009 kJ kg K) En 423 K

ln ln

0

2

0

2

2 0 avg

= - sdot= sdot - sdot- = -

P

P

R

T

T

s s c p

Por lo tanto la exergiacutea de aire en el estado final es

[]

[]

= 0171kJ

+ sdot= sdot sdot= Φ = - - - + -

(100 kPa) (0000473- 0002) m [kJ m kPa]

(000234 kg) (0722 kJ kg K) (423- 298) K - (298 K) (- 01608 kJ kg K)

() () ()

3 3

X 2 m 2 cv avg T2 T0 T0 s2 P0 s0 V 2 V 0

(B) La entrada miacutenima de trabajo es el insumo trabajo reversible que puede ser determinada a partir de la exergiacutea

equilibrar mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

- = 0171kJ

= -

- - = Δ

= 0171 0

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

(C) La eficiencia de segunda ley de este proceso es

= = = 143

8-34 Un cilindro se llena inicialmente con R-134a en un estado especificado El refrigerante se enfriacutea y se condensa

a presioacuten constante La exergiacutea del refrigerante en los estados inicial y final y la exergiacutea destruida

durante este proceso son que se determine

Supuestos Las energiacuteas cineacutetica y potencial son despreciables

Propiedades de las tablas de refrigerante (Tablas A-11 a A-13)

10256 kJ kg K

27401 kJ kg

0034875 m kg

60 C

07 MPa

1

1

3

1

1

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

= 031958 kJ kg K

= 8444 kJ kg

= 00008261 m kg

24 C

07 MPa

2 24 C

2 24 C

3

2 24 C

2

2cong sdot

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 15: 8fds

5404 pies psia

(0753 Btu lbm R) (200 77) R (147 psia) (2212 9793) pies lbm 1 BTU

() () ()

() ()

3

3

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

=

- - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot= sdot - + -

= - + - - -

= - + - - -

c T T P T s s

u u P T s s

v v

v v

v

φ

Φ = mφ = (09043 lbm) (1993 Btu lbm) = 1802 BTU

Comparacioacuten de los dos resultados muestra que el sistema de helio tiene un mayor potencial para la produccioacuten de trabajo

8-32 de vapor y R-134a en los mismos estados son considerados El fluido con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Supuestos cineacuteticos y los cambios de energiacutea potencial son despreciables

Anaacutelisis Las propiedades del agua en el estado dado y en el estado son muertos

(Tabla A- 4)

03672 kJ kg K

0001003 m kg

10483 kJ kg

100 kPa

25 C

(Tabla A- 6)

67155 kJ kg K

024720 m kg

25947 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

La exergiacutea de vapor es

[]

= 6227 kJ⎥ ⎥ ⎥ ⎦⎤⎢ ⎢ ⎢

⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (67155 03672) kJ kg K

1 kPa m

(25947 10483) kJ kg (100 kPa) (024720 0001003) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Para R-134a

(Cuadro A-11)

032432 kJ kg K

00008286 m kg

8585 kJ kg

100 kPa

25 C

(Cuadro A-13)

13327 kJ kg K

0044554 m kg

38699 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

[]

= 502 kJ⎥ ⎥ ⎥⎦⎤⎢ ⎢ ⎢⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (13327 032432) kJ kg K

1 kPa m

(38699 8585) kJ kg (100 kPa) (0044554 00008286) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Por tanto el vapor puede tiene maacutes potencial de trabajo que el R-134a

la entrada de un trabajo uacutetil se mide La exergiacutea del aire en los estados inicial y final y el miacutenimo

trabajar de entrada para llevar a cabo este proceso de compresioacuten y la eficiencia de segunda ley se determinaraacuten

Hipoacutetesis 1 del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes 2 Las energiacuteas cineacutetica y potencial son

insignificante

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kPam3 kgK (Tabla A-1) Los calores especiacuteficos de aire en el

temperatura promedio de (298 + 423) 2 = 360 K son cp = 1009 kJ kg bull K y cv = 0722 kJ kg bull K (Tabla A-2)

Anaacutelisis (a) Se da cuenta de que X1 = Φ1 = 0 ya que el aire inicialmente estaacute en el estado muerto La masa de aire es

000234 kg

(0287 kPa m kg K) (298 K)

(100 kPa) (0002 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Tambieacuten

(2 L) = 0473 L

(600 kPa) (298 K)

(100 kPa) (423 K)

1

2 1

1 2

2

1

1 1

2

2 2 = ⎯⎯ rarr V = V =

V V

P T

P T

T

P

T

P

y

01608 kJ kg K

100 kPa

(0287 kJ kg K) ln 600 kPa

298 K

(1009 kJ kg K) En 423 K

ln ln

0

2

0

2

2 0 avg

= - sdot= sdot - sdot- = -

P

P

R

T

T

s s c p

Por lo tanto la exergiacutea de aire en el estado final es

[]

[]

= 0171kJ

+ sdot= sdot sdot= Φ = - - - + -

(100 kPa) (0000473- 0002) m [kJ m kPa]

(000234 kg) (0722 kJ kg K) (423- 298) K - (298 K) (- 01608 kJ kg K)

() () ()

3 3

X 2 m 2 cv avg T2 T0 T0 s2 P0 s0 V 2 V 0

(B) La entrada miacutenima de trabajo es el insumo trabajo reversible que puede ser determinada a partir de la exergiacutea

equilibrar mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

- = 0171kJ

= -

- - = Δ

= 0171 0

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

(C) La eficiencia de segunda ley de este proceso es

= = = 143

8-34 Un cilindro se llena inicialmente con R-134a en un estado especificado El refrigerante se enfriacutea y se condensa

a presioacuten constante La exergiacutea del refrigerante en los estados inicial y final y la exergiacutea destruida

durante este proceso son que se determine

Supuestos Las energiacuteas cineacutetica y potencial son despreciables

Propiedades de las tablas de refrigerante (Tablas A-11 a A-13)

10256 kJ kg K

27401 kJ kg

0034875 m kg

60 C

07 MPa

1

1

3

1

1

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

= 031958 kJ kg K

= 8444 kJ kg

= 00008261 m kg

24 C

07 MPa

2 24 C

2 24 C

3

2 24 C

2

2cong sdot

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 16: 8fds

8-32 de vapor y R-134a en los mismos estados son considerados El fluido con el contenido de exergiacutea superior es para ser

identificado

Supuestos cineacuteticos y los cambios de energiacutea potencial son despreciables

Anaacutelisis Las propiedades del agua en el estado dado y en el estado son muertos

(Tabla A- 4)

03672 kJ kg K

0001003 m kg

10483 kJ kg

100 kPa

25 C

(Tabla A- 6)

67155 kJ kg K

024720 m kg

25947 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

La exergiacutea de vapor es

[]

= 6227 kJ⎥ ⎥ ⎥ ⎦⎤⎢ ⎢ ⎢

⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (67155 03672) kJ kg K

1 kPa m

(25947 10483) kJ kg (100 kPa) (024720 0001003) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Para R-134a

(Cuadro A-11)

032432 kJ kg K

00008286 m kg

8585 kJ kg

100 kPa

25 C

(Cuadro A-13)

13327 kJ kg K

0044554 m kg

38699 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

[]

= 502 kJ⎥ ⎥ ⎥⎦⎤⎢ ⎢ ⎢⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (13327 032432) kJ kg K

1 kPa m

(38699 8585) kJ kg (100 kPa) (0044554 00008286) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Por tanto el vapor puede tiene maacutes potencial de trabajo que el R-134a

la entrada de un trabajo uacutetil se mide La exergiacutea del aire en los estados inicial y final y el miacutenimo

trabajar de entrada para llevar a cabo este proceso de compresioacuten y la eficiencia de segunda ley se determinaraacuten

Hipoacutetesis 1 del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes 2 Las energiacuteas cineacutetica y potencial son

insignificante

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kPam3 kgK (Tabla A-1) Los calores especiacuteficos de aire en el

temperatura promedio de (298 + 423) 2 = 360 K son cp = 1009 kJ kg bull K y cv = 0722 kJ kg bull K (Tabla A-2)

Anaacutelisis (a) Se da cuenta de que X1 = Φ1 = 0 ya que el aire inicialmente estaacute en el estado muerto La masa de aire es

000234 kg

(0287 kPa m kg K) (298 K)

(100 kPa) (0002 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Tambieacuten

(2 L) = 0473 L

(600 kPa) (298 K)

(100 kPa) (423 K)

1

2 1

1 2

2

1

1 1

2

2 2 = ⎯⎯ rarr V = V =

V V

P T

P T

T

P

T

P

y

01608 kJ kg K

100 kPa

(0287 kJ kg K) ln 600 kPa

298 K

(1009 kJ kg K) En 423 K

ln ln

0

2

0

2

2 0 avg

= - sdot= sdot - sdot- = -

P

P

R

T

T

s s c p

Por lo tanto la exergiacutea de aire en el estado final es

[]

[]

= 0171kJ

+ sdot= sdot sdot= Φ = - - - + -

(100 kPa) (0000473- 0002) m [kJ m kPa]

(000234 kg) (0722 kJ kg K) (423- 298) K - (298 K) (- 01608 kJ kg K)

() () ()

3 3

X 2 m 2 cv avg T2 T0 T0 s2 P0 s0 V 2 V 0

(B) La entrada miacutenima de trabajo es el insumo trabajo reversible que puede ser determinada a partir de la exergiacutea

equilibrar mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

- = 0171kJ

= -

- - = Δ

= 0171 0

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

(C) La eficiencia de segunda ley de este proceso es

= = = 143

8-34 Un cilindro se llena inicialmente con R-134a en un estado especificado El refrigerante se enfriacutea y se condensa

a presioacuten constante La exergiacutea del refrigerante en los estados inicial y final y la exergiacutea destruida

durante este proceso son que se determine

Supuestos Las energiacuteas cineacutetica y potencial son despreciables

Propiedades de las tablas de refrigerante (Tablas A-11 a A-13)

10256 kJ kg K

27401 kJ kg

0034875 m kg

60 C

07 MPa

1

1

3

1

1

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

= 031958 kJ kg K

= 8444 kJ kg

= 00008261 m kg

24 C

07 MPa

2 24 C

2 24 C

3

2 24 C

2

2cong sdot

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 17: 8fds

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

La exergiacutea de vapor es

[]

= 6227 kJ⎥ ⎥ ⎥ ⎦⎤⎢ ⎢ ⎢

⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (67155 03672) kJ kg K

1 kPa m

(25947 10483) kJ kg (100 kPa) (024720 0001003) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Para R-134a

(Cuadro A-11)

032432 kJ kg K

00008286 m kg

8585 kJ kg

100 kPa

25 C

(Cuadro A-13)

13327 kJ kg K

0044554 m kg

38699 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

[]

= 502 kJ⎥ ⎥ ⎥⎦⎤⎢ ⎢ ⎢⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (13327 032432) kJ kg K

1 kPa m

(38699 8585) kJ kg (100 kPa) (0044554 00008286) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Por tanto el vapor puede tiene maacutes potencial de trabajo que el R-134a

la entrada de un trabajo uacutetil se mide La exergiacutea del aire en los estados inicial y final y el miacutenimo

trabajar de entrada para llevar a cabo este proceso de compresioacuten y la eficiencia de segunda ley se determinaraacuten

Hipoacutetesis 1 del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes 2 Las energiacuteas cineacutetica y potencial son

insignificante

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kPam3 kgK (Tabla A-1) Los calores especiacuteficos de aire en el

temperatura promedio de (298 + 423) 2 = 360 K son cp = 1009 kJ kg bull K y cv = 0722 kJ kg bull K (Tabla A-2)

Anaacutelisis (a) Se da cuenta de que X1 = Φ1 = 0 ya que el aire inicialmente estaacute en el estado muerto La masa de aire es

000234 kg

(0287 kPa m kg K) (298 K)

(100 kPa) (0002 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Tambieacuten

(2 L) = 0473 L

(600 kPa) (298 K)

(100 kPa) (423 K)

1

2 1

1 2

2

1

1 1

2

2 2 = ⎯⎯ rarr V = V =

V V

P T

P T

T

P

T

P

y

01608 kJ kg K

100 kPa

(0287 kJ kg K) ln 600 kPa

298 K

(1009 kJ kg K) En 423 K

ln ln

0

2

0

2

2 0 avg

= - sdot= sdot - sdot- = -

P

P

R

T

T

s s c p

Por lo tanto la exergiacutea de aire en el estado final es

[]

[]

= 0171kJ

+ sdot= sdot sdot= Φ = - - - + -

(100 kPa) (0000473- 0002) m [kJ m kPa]

(000234 kg) (0722 kJ kg K) (423- 298) K - (298 K) (- 01608 kJ kg K)

() () ()

3 3

X 2 m 2 cv avg T2 T0 T0 s2 P0 s0 V 2 V 0

(B) La entrada miacutenima de trabajo es el insumo trabajo reversible que puede ser determinada a partir de la exergiacutea

equilibrar mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

- = 0171kJ

= -

- - = Δ

= 0171 0

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

(C) La eficiencia de segunda ley de este proceso es

= = = 143

8-34 Un cilindro se llena inicialmente con R-134a en un estado especificado El refrigerante se enfriacutea y se condensa

a presioacuten constante La exergiacutea del refrigerante en los estados inicial y final y la exergiacutea destruida

durante este proceso son que se determine

Supuestos Las energiacuteas cineacutetica y potencial son despreciables

Propiedades de las tablas de refrigerante (Tablas A-11 a A-13)

10256 kJ kg K

27401 kJ kg

0034875 m kg

60 C

07 MPa

1

1

3

1

1

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

= 031958 kJ kg K

= 8444 kJ kg

= 00008261 m kg

24 C

07 MPa

2 24 C

2 24 C

3

2 24 C

2

2cong sdot

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 18: 8fds

⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (67155 03672) kJ kg K

1 kPa m

(25947 10483) kJ kg (100 kPa) (024720 0001003) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Para R-134a

(Cuadro A-11)

032432 kJ kg K

00008286 m kg

8585 kJ kg

100 kPa

25 C

(Cuadro A-13)

13327 kJ kg K

0044554 m kg

38699 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

[]

= 502 kJ⎥ ⎥ ⎥⎦⎤⎢ ⎢ ⎢⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (13327 032432) kJ kg K

1 kPa m

(38699 8585) kJ kg (100 kPa) (0044554 00008286) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Por tanto el vapor puede tiene maacutes potencial de trabajo que el R-134a

la entrada de un trabajo uacutetil se mide La exergiacutea del aire en los estados inicial y final y el miacutenimo

trabajar de entrada para llevar a cabo este proceso de compresioacuten y la eficiencia de segunda ley se determinaraacuten

Hipoacutetesis 1 del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes 2 Las energiacuteas cineacutetica y potencial son

insignificante

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kPam3 kgK (Tabla A-1) Los calores especiacuteficos de aire en el

temperatura promedio de (298 + 423) 2 = 360 K son cp = 1009 kJ kg bull K y cv = 0722 kJ kg bull K (Tabla A-2)

Anaacutelisis (a) Se da cuenta de que X1 = Φ1 = 0 ya que el aire inicialmente estaacute en el estado muerto La masa de aire es

000234 kg

(0287 kPa m kg K) (298 K)

(100 kPa) (0002 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Tambieacuten

(2 L) = 0473 L

(600 kPa) (298 K)

(100 kPa) (423 K)

1

2 1

1 2

2

1

1 1

2

2 2 = ⎯⎯ rarr V = V =

V V

P T

P T

T

P

T

P

y

01608 kJ kg K

100 kPa

(0287 kJ kg K) ln 600 kPa

298 K

(1009 kJ kg K) En 423 K

ln ln

0

2

0

2

2 0 avg

= - sdot= sdot - sdot- = -

P

P

R

T

T

s s c p

Por lo tanto la exergiacutea de aire en el estado final es

[]

[]

= 0171kJ

+ sdot= sdot sdot= Φ = - - - + -

(100 kPa) (0000473- 0002) m [kJ m kPa]

(000234 kg) (0722 kJ kg K) (423- 298) K - (298 K) (- 01608 kJ kg K)

() () ()

3 3

X 2 m 2 cv avg T2 T0 T0 s2 P0 s0 V 2 V 0

(B) La entrada miacutenima de trabajo es el insumo trabajo reversible que puede ser determinada a partir de la exergiacutea

equilibrar mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

- = 0171kJ

= -

- - = Δ

= 0171 0

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

(C) La eficiencia de segunda ley de este proceso es

= = = 143

8-34 Un cilindro se llena inicialmente con R-134a en un estado especificado El refrigerante se enfriacutea y se condensa

a presioacuten constante La exergiacutea del refrigerante en los estados inicial y final y la exergiacutea destruida

durante este proceso son que se determine

Supuestos Las energiacuteas cineacutetica y potencial son despreciables

Propiedades de las tablas de refrigerante (Tablas A-11 a A-13)

10256 kJ kg K

27401 kJ kg

0034875 m kg

60 C

07 MPa

1

1

3

1

1

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

= 031958 kJ kg K

= 8444 kJ kg

= 00008261 m kg

24 C

07 MPa

2 24 C

2 24 C

3

2 24 C

2

2cong sdot

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 19: 8fds

38699 kJ kg

180 C

800 kPa

0 a 25 C

3

0 a 25 C

0 a 25 C

0

0

3cong = sdotcong =cong =⎭ ⎬ ⎫=

= deg

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

[]

= 502 kJ⎥ ⎥ ⎥⎦⎤⎢ ⎢ ⎢⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (13327 032432) kJ kg K

1 kPa m

(38699 8585) kJ kg (100 kPa) (0044554 00008286) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Por tanto el vapor puede tiene maacutes potencial de trabajo que el R-134a

la entrada de un trabajo uacutetil se mide La exergiacutea del aire en los estados inicial y final y el miacutenimo

trabajar de entrada para llevar a cabo este proceso de compresioacuten y la eficiencia de segunda ley se determinaraacuten

Hipoacutetesis 1 del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes 2 Las energiacuteas cineacutetica y potencial son

insignificante

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kPam3 kgK (Tabla A-1) Los calores especiacuteficos de aire en el

temperatura promedio de (298 + 423) 2 = 360 K son cp = 1009 kJ kg bull K y cv = 0722 kJ kg bull K (Tabla A-2)

Anaacutelisis (a) Se da cuenta de que X1 = Φ1 = 0 ya que el aire inicialmente estaacute en el estado muerto La masa de aire es

000234 kg

(0287 kPa m kg K) (298 K)

(100 kPa) (0002 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Tambieacuten

(2 L) = 0473 L

(600 kPa) (298 K)

(100 kPa) (423 K)

1

2 1

1 2

2

1

1 1

2

2 2 = ⎯⎯ rarr V = V =

V V

P T

P T

T

P

T

P

y

01608 kJ kg K

100 kPa

(0287 kJ kg K) ln 600 kPa

298 K

(1009 kJ kg K) En 423 K

ln ln

0

2

0

2

2 0 avg

= - sdot= sdot - sdot- = -

P

P

R

T

T

s s c p

Por lo tanto la exergiacutea de aire en el estado final es

[]

[]

= 0171kJ

+ sdot= sdot sdot= Φ = - - - + -

(100 kPa) (0000473- 0002) m [kJ m kPa]

(000234 kg) (0722 kJ kg K) (423- 298) K - (298 K) (- 01608 kJ kg K)

() () ()

3 3

X 2 m 2 cv avg T2 T0 T0 s2 P0 s0 V 2 V 0

(B) La entrada miacutenima de trabajo es el insumo trabajo reversible que puede ser determinada a partir de la exergiacutea

equilibrar mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

- = 0171kJ

= -

- - = Δ

= 0171 0

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

(C) La eficiencia de segunda ley de este proceso es

= = = 143

8-34 Un cilindro se llena inicialmente con R-134a en un estado especificado El refrigerante se enfriacutea y se condensa

a presioacuten constante La exergiacutea del refrigerante en los estados inicial y final y la exergiacutea destruida

durante este proceso son que se determine

Supuestos Las energiacuteas cineacutetica y potencial son despreciables

Propiedades de las tablas de refrigerante (Tablas A-11 a A-13)

10256 kJ kg K

27401 kJ kg

0034875 m kg

60 C

07 MPa

1

1

3

1

1

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

= 031958 kJ kg K

= 8444 kJ kg

= 00008261 m kg

24 C

07 MPa

2 24 C

2 24 C

3

2 24 C

2

2cong sdot

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 20: 8fds

u u

P

T

s

u

T

P

v v

v

[]

= 502 kJ⎥ ⎥ ⎥⎦⎤⎢ ⎢ ⎢⎣⎡- - sdot⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot- + -

=

Φ = - + - - -

(298 K) (13327 032432) kJ kg K

1 kPa m

(38699 8585) kJ kg (100 kPa) (0044554 00008286) m kg 1 kJ

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Por tanto el vapor puede tiene maacutes potencial de trabajo que el R-134a

la entrada de un trabajo uacutetil se mide La exergiacutea del aire en los estados inicial y final y el miacutenimo

trabajar de entrada para llevar a cabo este proceso de compresioacuten y la eficiencia de segunda ley se determinaraacuten

Hipoacutetesis 1 del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes 2 Las energiacuteas cineacutetica y potencial son

insignificante

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kPam3 kgK (Tabla A-1) Los calores especiacuteficos de aire en el

temperatura promedio de (298 + 423) 2 = 360 K son cp = 1009 kJ kg bull K y cv = 0722 kJ kg bull K (Tabla A-2)

Anaacutelisis (a) Se da cuenta de que X1 = Φ1 = 0 ya que el aire inicialmente estaacute en el estado muerto La masa de aire es

000234 kg

(0287 kPa m kg K) (298 K)

(100 kPa) (0002 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Tambieacuten

(2 L) = 0473 L

(600 kPa) (298 K)

(100 kPa) (423 K)

1

2 1

1 2

2

1

1 1

2

2 2 = ⎯⎯ rarr V = V =

V V

P T

P T

T

P

T

P

y

01608 kJ kg K

100 kPa

(0287 kJ kg K) ln 600 kPa

298 K

(1009 kJ kg K) En 423 K

ln ln

0

2

0

2

2 0 avg

= - sdot= sdot - sdot- = -

P

P

R

T

T

s s c p

Por lo tanto la exergiacutea de aire en el estado final es

[]

[]

= 0171kJ

+ sdot= sdot sdot= Φ = - - - + -

(100 kPa) (0000473- 0002) m [kJ m kPa]

(000234 kg) (0722 kJ kg K) (423- 298) K - (298 K) (- 01608 kJ kg K)

() () ()

3 3

X 2 m 2 cv avg T2 T0 T0 s2 P0 s0 V 2 V 0

(B) La entrada miacutenima de trabajo es el insumo trabajo reversible que puede ser determinada a partir de la exergiacutea

equilibrar mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

- = 0171kJ

= -

- - = Δ

= 0171 0

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

(C) La eficiencia de segunda ley de este proceso es

= = = 143

8-34 Un cilindro se llena inicialmente con R-134a en un estado especificado El refrigerante se enfriacutea y se condensa

a presioacuten constante La exergiacutea del refrigerante en los estados inicial y final y la exergiacutea destruida

durante este proceso son que se determine

Supuestos Las energiacuteas cineacutetica y potencial son despreciables

Propiedades de las tablas de refrigerante (Tablas A-11 a A-13)

10256 kJ kg K

27401 kJ kg

0034875 m kg

60 C

07 MPa

1

1

3

1

1

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

= 031958 kJ kg K

= 8444 kJ kg

= 00008261 m kg

24 C

07 MPa

2 24 C

2 24 C

3

2 24 C

2

2cong sdot

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 21: 8fds

(1 kg)

() ()

3

3

s0 m u P0 u0 v v 0 T0 s

Por tanto el vapor puede tiene maacutes potencial de trabajo que el R-134a

la entrada de un trabajo uacutetil se mide La exergiacutea del aire en los estados inicial y final y el miacutenimo

trabajar de entrada para llevar a cabo este proceso de compresioacuten y la eficiencia de segunda ley se determinaraacuten

Hipoacutetesis 1 del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos constantes 2 Las energiacuteas cineacutetica y potencial son

insignificante

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kPam3 kgK (Tabla A-1) Los calores especiacuteficos de aire en el

temperatura promedio de (298 + 423) 2 = 360 K son cp = 1009 kJ kg bull K y cv = 0722 kJ kg bull K (Tabla A-2)

Anaacutelisis (a) Se da cuenta de que X1 = Φ1 = 0 ya que el aire inicialmente estaacute en el estado muerto La masa de aire es

000234 kg

(0287 kPa m kg K) (298 K)

(100 kPa) (0002 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Tambieacuten

(2 L) = 0473 L

(600 kPa) (298 K)

(100 kPa) (423 K)

1

2 1

1 2

2

1

1 1

2

2 2 = ⎯⎯ rarr V = V =

V V

P T

P T

T

P

T

P

y

01608 kJ kg K

100 kPa

(0287 kJ kg K) ln 600 kPa

298 K

(1009 kJ kg K) En 423 K

ln ln

0

2

0

2

2 0 avg

= - sdot= sdot - sdot- = -

P

P

R

T

T

s s c p

Por lo tanto la exergiacutea de aire en el estado final es

[]

[]

= 0171kJ

+ sdot= sdot sdot= Φ = - - - + -

(100 kPa) (0000473- 0002) m [kJ m kPa]

(000234 kg) (0722 kJ kg K) (423- 298) K - (298 K) (- 01608 kJ kg K)

() () ()

3 3

X 2 m 2 cv avg T2 T0 T0 s2 P0 s0 V 2 V 0

(B) La entrada miacutenima de trabajo es el insumo trabajo reversible que puede ser determinada a partir de la exergiacutea

equilibrar mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

- = 0171kJ

= -

- - = Δ

= 0171 0

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

(C) La eficiencia de segunda ley de este proceso es

= = = 143

8-34 Un cilindro se llena inicialmente con R-134a en un estado especificado El refrigerante se enfriacutea y se condensa

a presioacuten constante La exergiacutea del refrigerante en los estados inicial y final y la exergiacutea destruida

durante este proceso son que se determine

Supuestos Las energiacuteas cineacutetica y potencial son despreciables

Propiedades de las tablas de refrigerante (Tablas A-11 a A-13)

10256 kJ kg K

27401 kJ kg

0034875 m kg

60 C

07 MPa

1

1

3

1

1

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

= 031958 kJ kg K

= 8444 kJ kg

= 00008261 m kg

24 C

07 MPa

2 24 C

2 24 C

3

2 24 C

2

2cong sdot

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 22: 8fds

Tambieacuten

(2 L) = 0473 L

(600 kPa) (298 K)

(100 kPa) (423 K)

1

2 1

1 2

2

1

1 1

2

2 2 = ⎯⎯ rarr V = V =

V V

P T

P T

T

P

T

P

y

01608 kJ kg K

100 kPa

(0287 kJ kg K) ln 600 kPa

298 K

(1009 kJ kg K) En 423 K

ln ln

0

2

0

2

2 0 avg

= - sdot= sdot - sdot- = -

P

P

R

T

T

s s c p

Por lo tanto la exergiacutea de aire en el estado final es

[]

[]

= 0171kJ

+ sdot= sdot sdot= Φ = - - - + -

(100 kPa) (0000473- 0002) m [kJ m kPa]

(000234 kg) (0722 kJ kg K) (423- 298) K - (298 K) (- 01608 kJ kg K)

() () ()

3 3

X 2 m 2 cv avg T2 T0 T0 s2 P0 s0 V 2 V 0

(B) La entrada miacutenima de trabajo es el insumo trabajo reversible que puede ser determinada a partir de la exergiacutea

equilibrar mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

- = 0171kJ

= -

- - = Δ

= 0171 0

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

(C) La eficiencia de segunda ley de este proceso es

= = = 143

8-34 Un cilindro se llena inicialmente con R-134a en un estado especificado El refrigerante se enfriacutea y se condensa

a presioacuten constante La exergiacutea del refrigerante en los estados inicial y final y la exergiacutea destruida

durante este proceso son que se determine

Supuestos Las energiacuteas cineacutetica y potencial son despreciables

Propiedades de las tablas de refrigerante (Tablas A-11 a A-13)

10256 kJ kg K

27401 kJ kg

0034875 m kg

60 C

07 MPa

1

1

3

1

1

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

= 031958 kJ kg K

= 8444 kJ kg

= 00008261 m kg

24 C

07 MPa

2 24 C

2 24 C

3

2 24 C

2

2cong sdot

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 23: 8fds

2

2 0 avg

= - sdot= sdot - sdot- = -

P

P

R

T

T

s s c p

Por lo tanto la exergiacutea de aire en el estado final es

[]

[]

= 0171kJ

+ sdot= sdot sdot= Φ = - - - + -

(100 kPa) (0000473- 0002) m [kJ m kPa]

(000234 kg) (0722 kJ kg K) (423- 298) K - (298 K) (- 01608 kJ kg K)

() () ()

3 3

X 2 m 2 cv avg T2 T0 T0 s2 P0 s0 V 2 V 0

(B) La entrada miacutenima de trabajo es el insumo trabajo reversible que puede ser determinada a partir de la exergiacutea

equilibrar mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

- = 0171kJ

= -

- - = Δ

= 0171 0

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

(C) La eficiencia de segunda ley de este proceso es

= = = 143

8-34 Un cilindro se llena inicialmente con R-134a en un estado especificado El refrigerante se enfriacutea y se condensa

a presioacuten constante La exergiacutea del refrigerante en los estados inicial y final y la exergiacutea destruida

durante este proceso son que se determine

Supuestos Las energiacuteas cineacutetica y potencial son despreciables

Propiedades de las tablas de refrigerante (Tablas A-11 a A-13)

10256 kJ kg K

27401 kJ kg

0034875 m kg

60 C

07 MPa

1

1

3

1

1

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

= 031958 kJ kg K

= 8444 kJ kg

= 00008261 m kg

24 C

07 MPa

2 24 C

2 24 C

3

2 24 C

2

2cong sdot

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 24: 8fds

= 0171 0

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

(C) La eficiencia de segunda ley de este proceso es

= = = 143

8-34 Un cilindro se llena inicialmente con R-134a en un estado especificado El refrigerante se enfriacutea y se condensa

a presioacuten constante La exergiacutea del refrigerante en los estados inicial y final y la exergiacutea destruida

durante este proceso son que se determine

Supuestos Las energiacuteas cineacutetica y potencial son despreciables

Propiedades de las tablas de refrigerante (Tablas A-11 a A-13)

10256 kJ kg K

27401 kJ kg

0034875 m kg

60 C

07 MPa

1

1

3

1

1

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

= 031958 kJ kg K

= 8444 kJ kg

= 00008261 m kg

24 C

07 MPa

2 24 C

2 24 C

3

2 24 C

2

2cong sdot

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 25: 8fds

1

1

3

1

1

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

= 031958 kJ kg K

= 8444 kJ kg

= 00008261 m kg

24 C

07 MPa

2 24 C

2 24 C

3

2 24 C

2

2cong sdot

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 26: 8fds

congcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

11033 kJ kg K

25184 kJ kg

023718 m kg

24 C

01 MPa

0

0

3

0

0

0

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 27: 8fds

=⎭ ⎬ ⎫= deg

=

s

u

T

P

v

Anaacutelisis (a) A partir de la relacioacuten de exergiacutea sistema cerrado

= 1251 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (0034875 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (27401 25184) kJ kg (297 K) (10256 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X1 1 m P0 s0 s1 T0 u0 u1 v 1 v 0

y

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 28: 8fds

= 2086 kJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot-

= - - sdot= Φ = - - - + -

1 kPa m

+ (100 kPa) (00008261 023718) m kg 1 kJ

(5 kg) (8444 25184) kJ kg - (297 K) (031958 11033) kJ kg K

() () ()

3

3

X 2 2 m P0 s0 s2 T0 u0 u2 v 2 v 0

(B) La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso puede ser

determinada a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1 2086 1251 835 kJ

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 29: 8fds

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

= - = - =

- - = Δ

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Tomando nota de que el proceso implica soacutelo trabajo en la frontera la entrada de un trabajo uacutetil durante este proceso es simplemente

el trabajo de frontera en exceso de la labor realizada por el aire circundante

1021 kJ

1 kPa m

(5 kg) (700 -100 kPa) (0034875 00008261 m kg) 1 kJ

() ()

() () ()

3

3

0 1 2

u en en surr en en 0 1 2 1 2 0 1 2

= ⎟⎠⎞⎜⎝⎛sdot= -

= - -

= - = - - = - - -

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 30: 8fds

v v

V V V V v v

m P P

W W W W P P P m

Conocer tanto los insumos de trabajo uacutetiles y reversibles reales la destruccioacuten de exergiacutea o irreversibilidad que es

la diferencia entre los dos se determina a partir de su definicioacuten para ser

X destruyoacute = I = Wu en -Wrev en = 1021 a 835 = 186 kJ

8-35E Un tanque riacutegido aislado contiene saturado mezcla liacutequido-vapor de agua a una presioacuten especiacutefica Una

calentador eleacutectrico en el interior se enciende y se mantiene hasta que se vaporiza todo el liacutequido La destruccioacuten de exergiacutea y

la eficiencia de segunda ley estaacuten por determinar

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Inmuebles de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

038093 130632 070751 025 Btu lbm R

22792 025 86219 44347 Btu lbm

001708 025 (11901 001708) 29880 ft lbm

025

35 psia

1 1

1 1

3

1 1

1

1

= + = + times = sdot= + = + times =

= + = + times - =⎭ ⎬ ⎫

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 31: 8fds

=

=

f fg

f fg

f fg

s s x s

u u u x

X

X

P

v v v

15692 Btu lbm R

= 11109 Btu lbm

saacuteb vapor de 2 = 29880 pies lbm

2 1 2 = 29880 pies lbm

3

3

= = sdot=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

g

s s

u u

v

v v v

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 32: 8fds

Anaacutelisis (a) La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten

Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un

balance de entropiacutea en el tanque que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

(6 lbm) (535 R) (15692 a 070751) Btu lbm R = 2766 BTU

destruidos 0 0 generacioacuten (2 1)

= sdotX = T S = mT s - s

(B) Tomando nota de que V = constante durante este proceso la W y Wu son ideacutenticos y se determina a partir de la

balance de energiacutea en la ecuacioacuten de energiacutea sistema cerrado

e en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 33: 8fds

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Nosotros a = (6 lbm) (11109-44347) Btu lbm = 4005 BTU

Entonces el trabajo reversible durante este proceso y la eficiencia de segunda ley se convierta en

Wrev en = Wu en - X destruyoacute = 4005 - 2766 = 1239 BTU

Por lo tanto

= = = 309

4005 BTU

8-36 Un tanque riacutegido se divide en dos partes iguales por una particioacuten Una parte estaacute llena de liacutequido comprimido

mientras que el otro lado se evacua La particioacuten se elimina y el agua se expande en todo el tanque La

exergiacutea destruida durante este proceso es que se determine

Supuestos cineacuteticos y energiacuteas potenciales son insignificantes

Anaacutelisis de las propiedades del agua son (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

= 08313 kJ kg K

= 25116 kJ kg

= 0001017 m kg

60 C

300 kPa

1 60 C

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 34: 8fds

1 60 C

3

1 60 C

1

1cong sdotcongcong⎭ ⎬ ⎫= deg

=

deg

deg

deg

F

F

F

s s

u u

T

P

v v

Tomando nota de que los 2 2 0001017 0002034 m3 kg

v 2 = v 1 = times =

07549 72522 07556 00001017 kJ kg K

22593 00001017 22221 22615 kJ kg

00001017

1002 0001014

0002034 0001014

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 35: 8fds

v 0002034

15 kPa

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times = sdot= + = + times =

=

-

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

s s x s

u u u x

X

P v

v v

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 36: 8fds

Tomando la direccioacuten de la transferencia de calor sea al tanque el balance de energiacutea en este sistema cerrado se convierte

en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

Q U m u u

E E E

= Δ = -

- = Δ

14243 14243

o

Qin = (15 kg) (22615- 25116) kJ kg = -3751 kJ rarr Qout = 3751 kJ

La irreversibilidad puede determinarse a partir de su definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea es

determinado a partir de un balance de entropiacutea en un sistema maacutes amplio que incluye el tanque y su inmediata

entorno para que la temperatura liacutemite del sistema ampliado es la temperatura de la

alrededores en todo momento

surr

fuera

Gen 2 1

sistema de generacioacuten de 2 1

b fuera

fuera

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 37: 8fds

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

()

()

T

Q

S m s s

S S m s s

T

Q

S S S S

= - +

- + = Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

= 367 kJ⎥⎦8-38 Un cilindro aislado se llena inicialmente con agua liacutequida saturada a una presioacuten especificada El agua es

calentada eleacutectricamente a presioacuten constante El miacutenimo de trabajo por el cual este proceso puede llevarse a cabo y

la exergiacutea destruida estaacuten por determinar

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 38: 8fds

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso de compresioacuten o expansioacuten es cuasi-equilibrio

Anaacutelisis (a) A partir de las tablas de vapor (Tablas A-4 a traveacutes de la A-6)

La masa del vapor es

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o sale

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Despejando h2

16251 kJ kg

1899 kg

46713 2200 kJ

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 39: 8fds

2 = 1 + = + =

m

W

h h electroacutenico en

Por lo tanto

0001053 05202 (11594 0001053) 06037 m kg

46697 05202 20523 15346 kJ kg

14337 05202 57894 44454 kJ kg K

05202

22260

16251 46713

16251 kJ kg

150 kPa

3

2 2

2 2

2 2

2

2

2

2

= + = + times - =

= + = + times =

= + = + times = sdot=

-

=

-

=

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 40: 8fds

⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

f fg

fg

F

X

u u u x

s s x s

h

h h

X

h

P

v v v

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

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La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

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=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

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T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

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Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 41: 8fds

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina

ser

Wrev en m u1 u2 T0 s1 s2 P0 v 1 v 2

(B) La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 42: 8fds

X = destruyoacute T0Sgen = MT0 (s2 - s1) = (298 K) (1899 kg) (44454 -14337) kJ kg sdotK = 1705 kJ

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 43: 8fds

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 44: 8fds

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

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P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 45: 8fds

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988

8-40 Un cilindro aislado se llena inicialmente con vapor de R-134a saturado a una presioacuten especificada La

refrigerante se expande de una manera reversible hasta que la presioacuten cae a un valor especificado El cambio en el

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 46: 8fds

exergiacutea del refrigerante durante este proceso y el trabajo reversible deben ser determinados

Hipoacutetesis 1 Los cambios de energiacutea cineacutetica y potencial son despreciables 2 El cilindro estaacute bien aislado-

y por lo tanto la transferencia de calor es despreciable 3 La energiacutea teacutermica almacenada en el propio cilindro es insignificante 4 El

proceso se dice que es reversible

Anaacutelisis Este es un proceso adiabaacutetico reversible (es decir isentroacutepico) y por lo tanto s2 = s1 De las tablas de refrigerante

(Tablas A-11 a A-13)

= 09183 kJ kg K

= 24679 kJ kg

= 002562 m kg

saacuteb vapor

08 MPa

1 08 MPa

1 08 MPa

3

1 08 MPa

1

= sdot=

=⎭ ⎬ ⎫=

g

g

g

s s

u u

P

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 47: 8fds

v v

La masa del refrigerante es

1952 kg

002562 m kg

005 m

3

3

1

= = =

v

V m

3828 09753 18621 21988 kJ kg

00007533 0099867 (0099867 00007533) 009741 m kg

09753

078316

09183 015457

02 MPa

2 2

3

2 2

2

2

2 1

2

= + = + times =

= + = + times - =

=

-

=

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 48: 8fds

-

=⎭ ⎬ ⎫=

=

f fg

f fg

fg

F

u u u x

X

s

s s

X

s s

P

v v v

La salida de trabajo reversible lo que representa el maacuteximo rendimiento en el trabajo Wrev cabo puede determinarse a partir

el balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

1 2

rev cabo 1 2

rev cabo 2 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 49: 8fds

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

dentro fuera

-

= Φ -Φ

= -

= -

- - = Δ

W X X

W X X

X X X X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Utilizando la definicioacuten de

la exergiacutea sistema cerrado y sustitucioacuten el trabajo reversible se determinoacute que

[] []

= 385 kJ

= - - sdot= Φ -Φ = - - - + - = - + -

(1952 kg) [(24679 21988) kJ kg +

El gas oxiacutegeno 8-41E se comprime desde un estado inicial especificado en un estado especificado final El reversible

trabajo y el aumento de la exergiacutea del oxiacutegeno durante este proceso se han de determinar

Supuestos En determinadas condiciones el oxiacutegeno puede ser tratada como un gas ideal con calores especiacuteficos constantes

Propiedades La constante de los gases de oxiacutegeno es R = 006206 BTU lbmR (Tabla A-1E) El volumen constante

calor especiacutefico del oxiacutegeno a la temperatura media es

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 50: 8fds

promedio = (1 + 2) 2 = (75 + 525) 2 = 300 deg F⎯⎯ rarr avg = 0164 Btu lbmsdotRTTT cv

Anaacutelisis El cambio de entropiacutea del oxiacutegeno es

002894 Btu lbm R

12 pies lbm

(006206 Btu lbm R) ln 15 pies lbm

535 R

(0164 Btu lbm R) En 985 R

ln ln

3

3

1

2

1

2

2 1 avg

= - sdot⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛sdot + ⎟⎠⎞⎜⎝= sdot ⎛⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 51: 8fds

⎛+ ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- =

v

v

v R

T

T

s s c

La entrada de trabajo reversible lo que representa el miacutenimo Wrev entrada de trabajo en este caso se puede determinar

a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

Page 52: 8fds

Por lo tanto el cambio en la exergiacutea y el trabajo reversible son ideacutenticos en este caso Sustituyendo la cerrada

relacioacuten exergiacutea del sistema la entrada de trabajo reversible durante este proceso se determina que es

= 607 Btu lbm

- sdot= - sdot - sdot= - = - - - - + -

+ (147 psia) (12 15) ft lbm[Btu54039 psia pies]

(0164 Btu lbm R) (535-985) R (535 R) (002894 Btu lbm R)

[() () ()]

3 3

wrev en φ 2 φ1 P0 s2 s1 T0 u2 u1 v 1 v 2

Ademaacutes el aumento en la exergiacutea de oxiacutegeno es

φ 2 -φ1 = wrev en = 607 Btu lbm

8-42 un tanque aislado contiene gas CO2 a una presioacuten y volumen especificado Una rueda de paletas en el tanque

agita el gas y la presioacuten y la temperatura de la subida de CO2 El trabajo y la rueda de paletas real

miacutenimo de trabajo de rueda de paletas por el cual este proceso puede llevarse a cabo son por determinar

Hipoacutetesis 1 En condiciones especificadas CO2 pueden ser tratados como

un gas ideal con especiacutefica constante calienta en el promedio

la temperatura 2 La temperatura ambiente es 298 K

Anaacutelisis (a) La temperatura inicial y final de CO2 son

3579 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(120 kPa) (12 m)

2982 K

(213 kg) (01889 kPa m kg K)

(100 kPa) (12 m)

3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

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3

3

2 2

2

3

3

1 1

1

=sdot sdot= =

=sdot sdot= =

Sr

P

T

Sr

P

T

V

V

promedio = (1 + 2) 2 = (2982 + 3579) 2 = 328 K ⎯⎯ rarr avg = 0684 kJ kg sdotKTTT cv

El trabajo de rueda de paletas real realizado se determina a partir del balance de energiacutea en el gas CO en el tanque

Tomamos el contenido del cilindro como el sistema Se trata de un sistema cerrado ya que ninguacuten masa entra o

deja El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

pw en (2 1)

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

() () ()

Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

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Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W T mc T T

E E E

= Δ = -

- = Δ

v

14243 14243

o

WPW en = (213 kg) (0684 kJ kg sdotK) (3579 a 2982) K = 870 kJ

(B) El miacutenimo de trabajo de rueda de paletas con la que este proceso se puede lograr es el trabajo reversible

que se puede determinar a partir del balance de exergiacutea mediante el establecimiento de la destruccioacuten de exergiacutea igual a cero

rev 2 en 1

en exergiacutea

Cambio

sistema

destruccioacuten

Exergiacutea

0 (reversible)

destruido

por el calor el trabajo y la masa

Transferencia neta exergiacutea

Xin - xout - X = X rarr W = X - X

14243 144424443 14243

1048778

Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

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Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

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Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

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1

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1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

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Sustituyendo la relacioacuten exergiacutea sistema cerrado la entrada de trabajo reversible para este proceso se determina a

ser

[]

[]

[]

= 774 kJ

= sdot - - sdot= - - -

= - - - + -

(213 kg) (0684 kJ kg K) (3579 2982) K (2982) (01253 kJ kg K)

() ()

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Media 2 1 0 2 1

rev en 2 1 0 2 1 0 2 1

0

m Tc T T s s

W m u u T S S P

v

v 1048778 v

desde

01253 kJ kg K

8-43 Un cilindro aislado inicialmente contiene aire en un estado determinado Un calentador de resistencia dentro del cilindro

estaacute activado y el aire se calienta durante 15 minutos a presioacuten constante La destruccioacuten de exergiacutea durante este proceso es

estar determinado

Supuestos del aire es un gas ideal con calores especiacuteficos variables

Propiedades La constante de los gases del aire es R = 0287 kJ kgK (Tabla A-1)

Anaacutelisis La masa del aire y el trabajo eleacutectrico

hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

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T

m

W

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Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

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o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

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1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

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hecho durante este proceso son

00418 kg

(0287kPa m kg K) (300 K)

(120 kPa) (003 m)

3

3

1

1 1 =sdot sdot= =

RT

P

m

V

Nos hemos t = amp Δ = (-005 kJ s) (5 times 60 s) = -15 kJ

Tambieacuten

T1 = 300 K ⎯⎯ rarr h1 = 30019 kJ kg y s1 = 1 70202 kJ kg sdotK o

El balance de energiacutea para este sistema cerrado estacionario puede expresarse como

e en (2 1)

e en b fuera

potenciales etc energiacuteas

Cambio en la interna cineacutetica

sistema

por el calor el trabajo y la masa

La transferencia neta de energiacutea

dentro fuera

W m h h

W W T

E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

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E E E

= -

- = Δ

- = Δ

14243 14243

desde U + Wb = H durante un proceso de cuasi-equilibrio de presioacuten constante Por lo tanto

249364 kJ kg K

650 K

65904 kJ kg

00418 kg

30019 15 kJ o

2

e en 2

2 1 = sdot=

= + = + = ⎯⎯ rarr

s

T

m

W

h h

Tambieacuten

En 249364 170202 079162 o kJ kg K

1

o

2

0

1

o 2

1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

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1

o

2 1 2 sdot = - = - = ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛- = - - S s

P

P

s s s s R

1048778

La destruccioacuten de exergiacutea (o irreversibilidad) asociado con este proceso se pueden determinar a partir de su

definicioacuten Xdestroyed = T0Sgen donde la generacioacuten de entropiacutea se determina a partir de un balance de entropiacutea en el

cilindro que es un sistema cerrado aislado

sistema de generacioacuten (2 1)

en la entropiacutea

Cambio

sistema

generacioacuten

Entropiacutea

gen

por el calor y la masa

Transferencia neta de entropiacutea

dentro fuera

S S m s s

S S S S

= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ

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= Δ = -

- + = Δ

14243 14243

Sustituyendo

X = destruido T0Sgen = mt0 (s2 - s1) == (300 K) (00418 kg) (079162 kJ kg sdotK) = 99 kJ