Exercícios sobre Ciclos Termodinâmicos

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Universidade do Estado de Santa Catarina
Departamento de Engenharia Mecânica
Lista de Exercícios 1 - Máquinas Térmicas
Prof. Fábio Pinto Fortkamp
Em todos os problemas com hipóteses do padrão a ar frio, considere que o ar tem
propriedades constantes com cv = 0,718 kJ/(kg K), cp = 1,005 kJ/(kg K).
Problema 1. Utilizando a Primeira Lei da Termodinâmica, deduza as expressões vistas
em sala para a eficiência térmica dos ciclos Otto e Diesel. Indique todas as hipóteses
usadas.
Problema 2. Derive uma expressão para a eficiência térmica do ciclo misto quando a
razão de corte é igual à razão de pressão, para uma dada razão de compressão e razão
de calores específicos.
Problema 3. Um ciclo padrão a ar com calores específicos constantes, executado em
um sistema pistão-cilindro fechado, é composto dos três seguintes processos:
∙ 1-2: Compressão isentrópica com uma razão de compressão de 6, T1 = 27 ∘C,
P1 = 100 kPa
∙ 2-3: Fornecimento de calor a uma pressão constante
∙ 3-1: Rejeição de calor a um volume constante
(a) Represente graficamente os diagramas T − s e P − v para esse ciclo;
(b) Determine a razão de consumo de trabalho (trabalho de compressão por trabalho
de expansão) para esse ciclo.
Problema 4. Alguém sugeriu que o ciclo Otto padrão a ar frio é mais preciso (i.e. uma
melhor aproximação do ciclo real) se os dois processos isentrópicos forem substituídos
por processos politrópicos com um expoente n = 1,3. Considere tal ciclo com uma razão
de compressão igual a 8, P1 = 95 kPa, T1 = 15 ∘C e temperatura máxima de 1200 ∘C.
Determine o calor transferido e rejeitado desse ciclo, bem como sua eficiência térmica.
Problema 5. Repita o problema 4 com os processos isentrópicos originais do Ciclo
Otto, e explique a diferença encontrada na eficiência térmica.
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Problema 6. A relação de compressão num motor Diesel é igual a 20. O volume
interno útil da câmara de combustão quando o cilindro está no ponto morto inferior é
0,5 L e, nesta condição, o ar contido na câmara apresenta temperatura e pressão iguais a
290 K e 95 kPa respectivamente. Sabendo que a temperatura máxima do ciclo é 1800 K,
determine a pressão máxima e a eficiência térmica.
Problema 7. O que é a razão de corte? Como ela afeta a eficiência térmica de um ciclo
Diesel?
Problema 8. Um ciclo misto padrão a ar frio tem uma razão de compressão de 14 e
uma razão de corte de 1,2. A razão de pressão durante o processo de fornecimento
de calor a volume constante é de 1,5 Determine a eficiência térmica, a quantidade de
calor fornecido, a máxima pressão e temperatura do gás quando esse ciclo é operado a
80 kPa e 20 ∘C no início da compressão.