PROBLEMAS TERMODINÁMICA
1º.- Una bomba de calor ideal mantiene la
temperatura de un local a 25 ºC, siendo la temperatura media exterior de 8 ºC.
La cantidad de calor que es necesario aportar al local es 5 .105 kJ
cada día. Se pide:
a) Calcular el trabajo mínimo
teórico del motor que acciona el compresor, cada hora, para mantener la
temperatura deseada. (1 punto)
b) Calcular la potencia mínima si
la eficiencia real de la máquina fuese del 40 % de la ideal. (1 punto)
c) Definir para un motor térmico
los siguientes parámetros: Carrera, cilindrada unitaria y volumen de la cámara
de combustión. (0,5 puntos)
2º.- Un motor monocilíndrico de
400 cm3 consume 3 litros de
gasolina cada hora. El diámetro del pistón es de 80 mm y el volumen de la
cámara de combustión es de 45 cm3. Se pide:
a) Calcular la carrera y la
relación de compresión. (1
punto)
b) Calcular la cantidad de calor
generada en una hora por el combustible, sabiendo que el poder calorífico de
éste es de 41000 kJ/kg y su densidad es de 0,8 kg/dm3. (1 punto)
c) Dibujar el esquema de una bomba
de calor y explicar brevemente la función de cada componente de la misma. (0,5 puntos)
3º.- Un frigorífico trabaja entre -3 0C y 27 0C y su eficiencia es del 40 % de la
ideal. Si el calor absorbido del foco frío es de 1200 J. Se pide:
a) El calor cedido al medio
ambiente. (1 punto)
b) El trabajo desarrollado por el
motor del compresor si el ciclo fuese ideal. (1
punto)
c) Mencionar dos ventajas y dos
inconvenientes del motor Diesel 4T con respecto al motor Otto 4T. (0,5 puntos
4º.- Una embarcación de recreo es
propulsada por un motor de combustión interna que desarrolla una potencia
efectiva de 73,5 kW, con un consumo específico de 200 g/kWh. La densidad del
combustible es 850 kg/m3 y su
poder calorífico 41800 kJ/kg.
a) Calcular las horas de navegación
a esa potencia con 135 litros de combustible (1
punto).
b) Calcular el rendimiento del
motor (1 punto).
c) Dibujar el ciclo de Carnot
aplicado a máquinas frigoríficas. ¿Qué transformación termodinámica realiza
cada uno de los siguientes elementos de la máquina: compresor, válvula de
expansión, evaporador y condensador? (0,5
puntos).
MÁS
PROBLEMAS
1) Un congelador de Carnot absorbe de su
interior 750 KJ cada hora. La temperatura debe mantenerse a -18ºC, mientras que
la de la dependencia donde se encuentra está a 22ºC. Se pide
a) Calcular
el coste en 30 días para mantener dicho congelador, sabiendo que funciona 8
horas de media al día y que un KWh cuesta 20 céntimos de euro. (Sol: 1,56
euros/mes)
b) Calcular
la potencia del motor del compresor si la eficiencia del congelador fuese
el 60% de la ideal. (Sol: 54,47W)
c) Dibujar
el esquema de una máquina frigorífica de Carnot y el ciclo correspondiente.
Explique el recorrido del ciclo y la transformación que tiene lugar en cada
elemento.
2) Un
motor de encendido por chispa de 4T, tiene una potencia de 70kW cuando
proporciona un par de 133,7Nm. El rendimiento del motor es del 45%. El poder
calorífico del combustible 41500kJ/kg y su densidad de 0,85kg/dm3.
Se pide:
a) Calcular
el régimen de giro del motor en esas condiciones. (Sol: 523,5 rad/s)
b) Calcular
el consumo en una hora (Sol: 15,8 l/h)
c) Comparar
la admisión y la combustión de los motores Otto y Diesel.
3) Una
máquina aporta, desde el exterior a 10ºC, 480 103 KJ de calor a una estancia para
mantenerla a 20ºC. El coeficiente de amplificación calorífica es la mitad del
ideal de Carnot. Se pide:
a) Calcular
el trabajo mínimo necesario para que la máquina funcione. (Sol: 3,2 104 KJ)
b) Calcular
la cantidad de calor extraído del foco frío. (448 106 J)
c) ¿De
qué tipo de máquina se trata?. Justifica tu respuesta.
4) Un
motor térmico gira a 3000rpm y proporciona un par de 110Nm. A este régimen
consume 9l/h de un combustible de densidad 0,85kg/l y 41500kJ/kg de poder
calorífico. Se pide:
a) Calcular
la potencia que suministra y el rendimiento del motor. (Sol: 88.187,50J/s y
39,19%)
b) Calcular
el consumo específico en g/kWh (Sol: 221,37g/kWh)
c) Justificar
la refrigeración de los motores térmicos y explicar las distintas forma de
hacerlo.
5) Un
aparato de aire acondicionado cuya eficiencia es la tercera parte de la de
Carnot, absorbe calor de una estancia a 13ºC y cede 80kJ de energía cada
segundo al exterior a 30ºC. Se pide:
a) La
eficiencia de la máquina. (Sol: 5,61)
b) La
potencia que debe desarrollar el motor (Sol: 12,10 kW)
c) Explica
el funcionamiento de la máquina.
6) Un
motor monocilindrico de 2T y encendido por chispa, tiene una cilindrada de
101,3cm3 con un
volumen de la cámara de combustión de 12,66cm3. Proporciona una
potencia máxima de 6kW a 6200rpm y un par máximo de 10Nm a 4580rpm. Se pide:
a) La
relación de compresión y el diámetro del cilindro, si la carrera es de 49,6mm.
(Sol: rc= 9 y D= 5,01cm)
b) El
par de potencia máxima y la potencia a par máximo. (Sol: M=9m24Nm y P=4,796w)
c) Explique
el significado de motor de 2T y encendido por chispa.
7) Un
motor de 4T consume 8,47 litros a la hora, de un combustible de 0,85kg/dm3 de densidad y 41000kJ/kg de poder
calorífico. Entrega un par de 7,83Nm a 3000rpm. Se pide:
a) Calcular
la masa de combustible consumida en cada ciclo. (Sol: 2g/s)
b) Calcular
el rendimiento del motor (Sol: 29,9%)
c) ¿Qué
consecuencias tendría en el consumo/ciclo si el motor fuera de 2T?. Razona la
respuesta.
8) Un
motor Otto ideal de 1,6 litros y 4T y 4 cilindros, con una relación de
compresión de 6,2 entrega una potencia de 76,1 kW, siendo el coeficiente
adiabático 1,4. Se pide:
a) El
volumen de la cámara de combustión de cada cilindro y el rendimiento del motor.
(Sol: 400cm3 y 51,80%)
b) La
energía absorbida del combustible y la energía perdida en forma de calor en un
segundo. (Sol: 146,91kw y 70,81kW)
c) ¿Cómo
se realiza la admisión y el encendido de la mezcla este motor?
9) Un
motor entrega un par de 150Nm a 5000rpm y consume 1,4 106kJ durante
una hora de funcionamiento. Se pide:
a) Calcula
el trabajo que realiza en un minuto. (Sol: 4,7 106J/min)
b) Calcula
el rendimiento del motor. (Sol: 20%)
c) Explica
el funcionamiento de un motor de cuatro tiempos.
10) Un motor de combustión interna
alternativo de encendido por compresión tiene los siguientes datos; cuatro
cilindros con diámetro de 81mm, cilindrada 1968cm3, relación de
compresión 16,5:1 y par máximo 320Nm a 2100rpm. Se pide:
a) Calcular
la carrera y el volumen de la cámara de combustión. (Sol: 9,55cm y 31,75cm3)
b) Calcular
el trabajo desarrollado en un minuto a par máximo. (Sol: 4,22 106 J/min)
c) Comparar
las combustiones de los motores de ciclo Diesel y de ciclo de Otto.
Y MÁS PROBLEMAS
1º.- .- Una motocicleta posee un motor de
dos cilindros y 4T, con un diámetro de 82mm y una carrera de 76,5 mm. La
relación de compresión es de 12:1 y según el fabricante proporciona una potencia
máxima de 52 kW a 7000 rpm y un par máximo de 75,4 N.m a 4500 rpm. Se pide:
a)Calcular
la cilindrada y el volumen de la cámara de combustión.
b)Calcular
la potencia al régimen de par máximo y el par al régimen de potencia máxima.
c)En los
motores térmicos, explique el concepto de sobrealimentación.
2º.- Un motor de combustión
interna tiene cuatro cilindros con una cilindrada total de 1800 cm3 y consume
7,2 kg/h de gasolina. La relación de compresión es de 9:1 y la carrera de 75
mm. Se pide:
a) Calcular el diámetro de los
cilindros y el volumen de la cámara de combustión .
b) Calcular la cantidad de calor
consumida, si el poder calorífico de la gasolina es de 41000 kJ/kg .
c) Explique los siguientes
conceptos: PMS, PMI, cilindrada y carrera, indicando fórmulas y unidades donde
sea preciso .
3º.- Un congelador ideal de Carnot extrae calor de
su interior a razón de 800 kJ por hora, para mantenerlo a -15 ºC. Si la
temperatura exterior es de 25 ºC, se pide:
a) Calcular la eficiencia teórica
del sistema y la potencia necesaria del motor del compresor del congelador
b) Si la eficiencia real fuese el
70 % de la teórica, ¿Cuál sería la potencia del motor del compresor?
c) Defina la eficiencia de una
bomba de calor y explique si puede ser 0,5.
4º.- Una
máquina frigorífica mantiene el interior de un congelador a -20 ºC para lo cual
requiere un trabajo de 42 J y funciona siguiendo el ciclo de Carnot. La
temperatura en el exterior de la máquina es de 20 ºC. Se pide:
a) Realizar un esquema de la
máquina frigorífica indicando las temperaturas y los flujos de calor y calcular
la eficiencia de la máquina frigorífica .
b) Calcular el calor extraído del
interior del congelador y el calor cedido al ambiente .
c) Explicar brevemente el
funcionamiento de una máquina frigorífica .
1º.- El
motor alternativo de encendido por explosión. Describir sus componentes, el
ciclo teórico según el cual trabaja y las principales aplicaciones de este motor.
2º.- Define
los siguientes términos: a) bujía b) segmentos c) culata d) árbol de levas, e)
cigüeñal f) bulón.
3º.- ¿Qué
son las lumbreras? Explica la misión que desempeñan en el funcionamiento del
motor de explosión de dos tiempos.
4º.- El
motor alternativo de encendido por compresión. Describir sus componentes, el
ciclo teórico según el cual trabaja y las principales aplicaciones de este
motor.
5º.- ¿Por
qué los motores Diesel no necesitan bujía?
6º.- ¿Qué
diferencia existe entre los ciclos Otto y Diesel? ¿Cuál posee mayor rendimiento?
7º.- ¿Qué
ventajas e inconvenientes presentan los motores Diesel frente a los de
explosión?
8º.- El
rendimiento de un ciclo de Otto es del 50% y el coeficiente adiabático de la
mezcla combustible es 1,50. ¿Cuál es la relación de compresión?
Sol: R=4.
9º.- ¿Cuál
es el rendimiento de un ciclo de Otto en el cual la razón de compresión es R=8
y γ=1,50?
Sol: η= 64,6%.
10º.- El
ciclo Otto teórico de un motor monocilíndrico, de dos tiempos y 60 mm de
diámetro de pistón, está limitado por los volúmenes de V1=480 cm3 y V2=120 cm3,
y por las presiones de p1= 0,1 MPa, p2= 0,7 MPa, p3=3,5 MPa y p4=0,5 MPa.
Hallar:
a) Diagrama teórico del ciclo
termodinámico.
b) Cilindrada y
carrera.
Sol: ΔV= 360 cm3. L=12,73 cm.
c) Relación volumétrica de
compresión. Sol : R= 4.
11º.-El
ciclo Diesel teórico de un motor monocilíndrico, de dos tiempos y 60 mm de
diámetro de pistón, está limitado por los volúmenes de V1=480 cm3 y V2=60 cm3,
y por las presiones de p1=0,1 MPa, p2=1,84MPa y p4= 0,26 MPa. El estado de
máxima temperatura corresponde a V3= 120 cm3.
Hallar:
a) Diagrama teórico del ciclo
termodinámico.
b) Cilindrada y
carrera.
Sol: ΔV=420 cm3. L=14,85 cm.
c) Relación volumétrica de
compresión. Sol: R=8.
12º.- Un
motor tipo Otto de cuatro tiempos posee un rendimiento mecánico del 45% y
desarrolla una potencia útil o efectiva de 75 kW a 3500 rpm. Calcular:
a)El par suministrado a esa potencia. b) El trabajo por
ciclo.
13º.- El
pistón de un motor monocilíndrico tipo Otto, tiene un diámetro de 70 mm y
efectúa una carrera de 150 mm. Siendo el volumen de la cámara de combustión de
60 cm3, determine:
a) El volumen del cilindro.
b) La relación de compresión.
c) Explique el tiempo de admisión en un
motor 4T tipo Otto.
14º.- Un
motor de encendido por chispa y 4T, tiene unas dimensiones (DxC) de
76,5x65 mm y una relación de compresión de 10,5:1. Su par máximo es 112 N∙m a
3000 rpm y su potencia máxima 51 kW a 5400 rpm. Se pide:
a) Calcular la cilindrada y el volumen de
la cámara de combustión si tiene 4 cilindros.
b) Calcular la potencia cuando el par es
máximo y el par cuando la potencia es máxima.
c) Explica el concepto de motor de
encendido por chispa y 4 T.
15º.-Un
motor Otto monocilíndrico de 2T y 60 mm de diámetro de pistón, tiene una
cilindrada de 360 cm3 y
una relación de compresión volumétrica de 11:1. Se pide:
a) Calcular los volúmenes del cilindro
correspondientes al PMS y PMI.
b) Calcular la carrera del cilindro.
c) Justifique la utilidad el intercooler
en los sistemas de sobrealimentación de los motores térmicos.
16º.- Una
máquina frigorífica desarrolla un ciclo reversible con una eficiencia de 9,93 y
trabaja con una diferencia de temperaturas entre el interior del congelador y
el exterior , de 27 K. La máquina realiza un trabajo de 19,34x103 kJ por día de funcionamiento. Se pide:
a) Calcular la temperatura a la que
mantiene el interior del congelador en ºC.
b) Calcular el calor extraído del
congelador y la potencia mínima de la máquina.
c) En un ciclo Diesel ideal, justifique
qué área representa el trabajo útil.
17º.- Un
frigorífico doméstico posee dos zonas diferenciadas, con dos máquinas
independientes, una de refrigeración (5ºC) y otra de congelación (-20ºC). La
cocina donde se encuentra está a una temperatura media de 25 ºC. Se pide:
a) Calcular la eficiencia de cada máquina.
b) Si el frigorífico tiene un consumo de
300W y ambas máquinas consumen por igual, calcular el calor extraído de los
alimentos refrigerados y de los congelados en una hora.
c) Defina la eficiencia de una bomba de
calor. Justifique si puede ser 0,5.
18º.- Un
motor térmico reversible funciona entre dos focos térmicos, uno a 170 ºC y otro
a 510ºC. Se pide:
a) Calcular el rendimiento térmico del
motor.
b) Calcular el trabajo realizado por el
motor y el calor que se cederá al foco frío, si le aportamos 7000 kcal.
c) Definir y clasificar las
máquinas térmicas: en función de la combustión y de su movimiento.
