TERMODINÁMICA.

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: r_c= 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.