Problemas Unidad 6 - Máquinas Térmicas

Dpto de Tecnología (IES Teguise) Tecnología Industrial II
1. Determina cómo varía la energía interna de un sistema cilindro-pistón cuando realiza de forma
isóbara un trabajo de expansión con el siguiente balance energético: Qrecibido = 3000 cal. La presión
del gas es 105 N/m2, el volumen inicial es 0.02 m3 y el final 0.06 m³.
2. Se mantiene CO2 gaseoso a 1.4 bares y a 27 º C. Determina en estas condiciones el volumen

específico en m3/kg de dicho gas supuesto que se comporta idealmente. (Masas atómicas: MC=12
g/mol, MO=8 g/mol).
3. Sea una máquina térmica que funciona según el ciclo de Carnot, recibiendo calor de un foco de
temperatura de 650 K y expulsándolo a otro a 273 K.
a) ¿Trabajaría esta máquina con rendimiento teórico máximo?. ¿Por qué?. ¿Cuál sería este
rendimiento?.
b) Si la máquina térmica recibe 850 kJ de calor y el trabajo útil que realiza se emplea para accionar
un circuito que trabaja reversiblemente entre 273 K y 303 K, ¿qué calor estará eliminando el
circuito frigorífico del recinto que se pretende enfriar?. ¿Qué calor cede a los alrededores?
4. Para mantener una cámara de alimentos a –10 ºC se requiere una extracción de calor de 50 MJ/h
mediante un circuito de refrigeración que funciona según el ciclo de Carnot invertido. El calor se
expulsa al ambiente, que se halla a 30 ºC, y el trabajo necesario en el refrigerador proviene de un
motor diesel que consume 2 kg/h de combustible con poder calórico de 41 MJ/kg y posee un
rendimiento térmico máximo teórico, expulsando el calor contra el ambiente. Representa un
esquema de la transferencia de calor del sistema y:
a) Halla el coeficiente de operación del circuito frigorífico.
b) Halla la temperatura que se produce en la combustión del combustible en el motor (foco
caliente), y el par motor que entrega al compresor si gira a 1800 rpm.
c) Calcula el calor entregado al ambiente (tanto por la máquina térmica como por el circuito
frigorífico).
5. Una máquina de cilindro-pistón encierra en su interior un gas que es agitado por una hélice, La
hélice es accionada por un motor eléctrico que gira a 1500 rpm y entrega un par motor de 12 N×m.
Si al cabo de 15 segundos esta hélice genera una expansión de 0.8 m en el cilindro y se realiza a una
presión constante de 1 kg/m2, ¿cuál es el balance de trabajo total del sistema cilindro-pistón?.
6. Para el funcionamiento de un motor diesel se utilizan 2 kg de combustible con poder calorífico de

35 MJ/kg.
a) ¿Qué trabajo habrá desarrollado si el equipo opera expulsando 30 MJ al ambiente?
b) Si el motor posee un rendimiento del 7% que corresponde al 30% del hCarnot, ¿cuál será la
temperatura a la que se produce la combustión si la temperatura del ambiente es 35 ºC?
c) La combustión del combustible mencionado se ha producido de forma constante durante media
hora. ¿Qué potencia habrá desarrollado el motor?. ¿Qué par motor entrega si gira a3000 rpm?. ¿Y si
girase a 1500 rmp?.
7. Una planta de ultracongelados requiere mantener un recinto a –25 ºC expulsando calor al

ambiente, que se encuentra a 30 ºC, para congelar fletán, necesitándose extraer del recinto 18 MJ/h.
¿Qué potencia deberá extraer de la red eléctrica el motor que acciona el compresor si éste tiene un
rendimiento del 85% y el circuito frigorífico global posee un COP=3.8?.
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8. Un cilindro contiene 3 l de oxígeno a 2 atm y a 300 K. Se somete el sistema a los siguientes

procesos:
a) calentamiento isóbaro hasta 500 K;
b) enfriamiento isócoro hasta 300 K;
c) compresión isotérmica hasta el punto inicial.
Se pide:
a) representar estos procesos en un diagrama P-V, obteniendo las coordenadas de todos los puntos.
b) Hallar el trabajo realizado en cada proceso y el trabajo total.
c) Hallar la variación de energía interna de cada proceso y la total.
d) Hallar el calor puesto en juego en cada proceso y el total.
9. Un automóvil de una tonelada marcha a una velocidad de 100 km/h. ¿Cuánto calor se desarrolla
en los frenos al detenerse el coche?. Si ese calor se comunicara a 1 m 3 de agua, ¿cuánto se elevaría
su temperatura?.
10. Una masa de agua cae en una cascada de 100 m de altura. ¿Cuánto aumentará su temperatura,
en el supuesto de que toda la energía se transforme en calor?.
11. El sistema de calefacción de una casa de campo utiliza colectores solares de 9 m 2 y recibe
radiación solar con una potencia incidente de 500 W·m–2. El 30% de la energía recibida en los
paneles solares se pierde por transferencia al exterior. El resto se utiliza para calentar agua desde 15
°C hasta 66 °C. En el interior del colector las pérdidas son despreciables. (Calor específico del
agua:4,18 J·g–1·°C–1). Calcular:
a) Los litros de agua caliente por minuto si el sistema funciona en régimen estacionario.
c) Cuántos m2 de paneles solares son necesarios para calentar 300 litros de agua a 15 °C hasta 66 °C
en 25 minutos.
12. El gas propano tiene un poder calorífico de 23.000 kcal/m 3 (en cond. norm.), con el cual se
alimenta una caldera de 12 kW de potencia útil, y un rendimiento del 95%; caldera que pertenece a
la instalación de calefacción de una vivienda, que tiene instalados radiadores de agua caliente con
una potencia total de radiadores de 4500 kcal . Determinar el consumo de combustible por hora, y la
fracción de tiempo que ha de estar funcionando la caldera para proporcionar la energía de 4500 kcal
que requiere la instalación.
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