453376594-Lista-de-Exercicios-1-P1-pdf

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Lista1 - Termodinâmica para Engenharia Mecânica 
 
Obs: Para resolução de alguns exercícios consulte as tabelas termodinâmicas 
presentes no livros textos. 
 
A compreensão dos conceitos termodinâmicos é altamente recomendável. A prova terá 
uma questão discursiva a respeito desses conceitos. No final da lista de exercícios segue 
uma lista de questões de conceitos termodinâmicos, além de outros exercícios retirados 
do livro do Cengel. 
 
 
Conceitos e definições 
 
1) 2.26 (2.21) – Um cilindro de aço, que inicialmente está evacuado, é carregado com 
7 kg de oxigênio e 5 kg de nitrogênio. Determine, nessa condição, o número de 
kmoles contidos no cilindro. 
 
 Resp: 0,397 kmol 
 
2) 2.24 – Um pistão de aço de 2,5 kg está submetido à aceleração “normal” da 
gravidade (ao nível do mar e a 45o de latitude = 9,80665 m/s2), quando uma força 
vertical ascendente de 25 N é aplicada. Determine a aceleração do pistão. 
 
 Resp: 0,193 m/s2 
 
3) 2.39 – Um tanque apresenta duas partições separadas por uma membrana. A 
partição A contém 1 kg de ar e apresenta volume igual a 0,5 m3. O volume da 
partição B é 0,75 m3 e esta contém ar com massa específica igual a 0,8 kg/m3. A 
membrana é rompida e o ar atinge um estado uniforme. Determine a massa 
específica do ar no estado final do processo. 
 
 Resp: 1,28 kg/m3 
 
4) 2.42 (2.47) – A área da seção transversal da válvula do cilindro mostrado na 
figura abaixo é igual a 11 cm2. Determine a força necessária para abrir a válvula 
sabendo que a pressão no cilindro é 735 kPa e que a pressão externa é 99 kPa. 
 
 
 
Resp = 700 N 
 
 
 
5) 2.51 (2.53) – O cilindro de aço mostrado na figura abaixo apresenta área da seção 
transversal igual a 1,5 m2. Sabendo que a pressão na superfície livre da gasolina é 
101 kPa, determine a pressão na superfície inferior da camada de água. 
 
 
 
Resp: 113 kPa 
 
 
 
6) 2.89 (2.83) – O diâmetro do pistão mostrado na figura abaixo é 100 mm e sua 
massa é 5 kg. A mola é linear e não atua sobre o pistão enquanto este estiver 
encostado na superfície inferior do cilindro. No estado mostrado na figura, o 
volume da câmara é 0,4 L e a pressão é 400 kPa. Quando a válvula de alimentação 
de ar é aberta, o pistão sobe 20 mm. Admitindo que a pressão atmosférica seja igual 
a 100 kPa, calcule a pressão no ar nesta nova situação. 
 
 
 
 
 
Resp: é com vocês! 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Propriedades de Substâncias Puras 
 
7) 3.42 – Você quer que a água ferva a 105 oC num recipiente de 15 cm de diâmetro. 
Qual deve ser a massa da tampa desse recipiente, considerando Patm = 101 kPa? 
 
 Resp: 35,7 kg 
 
 
8) 3.54 – Um tanque de aço, com volume interno de 0,015 m3, contém 6 kg de propano 
(líquido + vapor) a 20 oC. O tanque é então aquecido lentamente. Determine se o 
nível do líquido (altura da interface líquido-vapor) irá subir até o topo do tanque 
ou descer até o fundo. O que aconteceria com o nível do líquido se a massa contida 
no tanque fosse 1 kg em vez de 6 kg? 
 
Resp: subir, descer 
 
9) 3.57 (3.60) Um reservatório rígido e estanque, com capacidade de 2 m3, contém 
uma mistura de líquido e vapor de R-134a (fluido refrigerante utilizado em 
refrigeração industrial) saturados a 10 oC. Se o refrigerante é aquecido, a fase 
líquida desaparece quando a temperatura atinge 50 oC. Determine a pressão a 50 
oC e a massa inicial de líquido. 
 
 Resp: 1,318 MPa,; 93,295 kg 
 
 
 
10) 3.60 (3.59) – um tanque, com volume de 400 m3, está sendo construído para 
armazenar gás natural liquefeito (GNL). Admita, neste problema, que o GNL seja 
constituído por metano puro. Se o tanque deve conter 90 % de líquido e 10 % de 
vapor, em volume, a 100 kPa, (a) qual será a massa, em kg, de GNL contida no 
tanque? (b) Qual será o título nesse estado? 
 
Resp: (a) 152.225 kg, (b) 4,72×10-4 
 
 
11) 3.66 – Um tanque com volume interno de 1 m3 contém um gás à temperatura e 
pressão ambientes: 20 oC e 100 kPa. Qual é a massa contida no tanque se o gás é : 
 
 a) ar, 
 b) neônio ou 
 c) propano? 
 
 Resp: 1,189, 0,828, 1,809 kg 
 
 
 
 
12) 3.81 – Uma bomba de vácuo é utilizada para evacuar uma câmara utilizada na 
secagem de um material que está a 50 oC. Se a vazão volumétrica da bomba é 0,5 
m3/s, a temperatura e a pressão na seção de alimentação da bomba são iguais a 50 
oC e 0,1 kPa, determine a quantidade de vapor d’água removida da câmara num 
período de 30 minutos. 
 
Obs.: para uma corrente de gás ideal, 𝑃�̇� = �̇�𝑅𝑇, onde �̇� é a vazão volumétrica do gás 
(m3/min) e �̇� é a vazão molar do gás (mol/min). 
 
 Resp: 0,603 kg 
 
 
 
13) 3.92 – Determine o volume de 2 kg de etileno a 260 K e 2500 kPa, usando Z 
obtido da Figura D.1 (Utilize as informações do Apêndice D do livro 
Fundamentos de Termodinâmica, Van Wylen, Sonntag para resolver esta 
questão). 
 
 Resp: é com vocês! 
 
 
14) 3.104 – Um tanque de 0,1 m3 contém 8,35 kg de metano a 250 K. Determine a 
pressão, (a) empregando o modelo de gás ideal, (b) a equação de estado de Van 
der Waals (Utilize as informações do Apêndice D do livro Fundamentos de 
Termodinâmica, Van Wylen, Sonntag para resolver esta questão) e a tabela de 
propriedades do metano. 
 
 Resp: é com vocês! 
 
 
 
15) 3-37E Um Arranjo pistão-cilindro com mola contém inicialmente 0,2 lbm de R-
134a como uma mistura de líquido e vapor, cuja a temperatura é de -30 oF e 
com um título de 80%. A constante de mola é 37 lbf/pol e o diâmetro do pistão 
é de 12 polegadas. O R-134-a é submetido a um processo que aumenta o seu 
volume em 40%. Calcule a temperatura final e a entalpia do R-134ª. 
 
 Resp: 81,5 oF, 120 Btu/lbm 
 
 
 
 
16) 3-55E – Vapor de água superaquecido a 180 psia e 500 oF e resfriado a volume 
constante até que a temperatura caia para 250 oF. No estado Final, determine (a) 
a pressão, (b) o título e (c) a entalpia. Mostre também o processo em um 
diagrama T-v que inclua as linhas de saturação 
 
 Resp: (a) 29,84 psia (b) 0,219, (c) 426,0 Btu/lbm 
 
 
 
17) 3-81 - Um tanque rígido cujo o volume é desconhecido está dividido em duas 
partes por uma partição. Um dos lados do tanque contém gás ideal, a 927 oC o 
outro lado está evacuado e tem um volume que equivale a duas vezes o tamanho 
da parte que contém o gás. A partição é então removida e o gás expande-se, 
preenchendo todo o tanque. Calor é transferido ao gás até que a pressão seja 
igual à pressão inicial. Determine a temperatura final do gás. 
 
 Resp: 3327 oC 
 
 
 
 
 
 
 
18) 3-89 – Determine o volume específico do vapor refrigerante 134a a 0,9 MPa e 
70 oC com base (a) na equação de estado do gás ideal, (b) no diagrama 
generalizado de compressibilidade e (c) nos dados das tabelas. Determine 
também o erro envolvido nos dois primeiros casos. 
 
 Resp: é com vocês! 
 
 
Calor e trabalho 
 
19) 4.30 – Um dispositivo cilindro-pistão contém 0,2 kg de vapor d’água saturado 
a 400 kPa. O sistema é resfriado a pressão constante até que o volume ocupado 
pela água se reduz à metade do original. Determine o trabalho realizado no 
processo. 
 
Resp: 18,5 kJ 
 
 
20) 4.38 (4.42) – O conjunto cilindro-pistão mostrado na 
Figura ao lado contém 1 kg de água a 20 °C e 300 kPa. A 
mola é linear, de modo que quando a água é aquecida, a 
pressão na água atinge 3 MPa e o volume interno do 
conjunto 0,1 m3. Determine a temperatura da água no 
estado final do processo, bem como o trabalho realizado 
pela água, e construa o diagrama P-v referente ao processo. 
 
 Resp: (a) 404 oC; 163,35 kJ 
 
21) (4.36) Um conjunto cilindro-pistão sem atrito contém 5 kg de vapor 
refrigerante R-134ª a 1000 kPa e 140 oC. O sistema é resfriado a pressão 
constante, até que o refrigerante apresente título igual a 25% . Calcular o 
trabalho realizado duranteesse processo 
 
Resp: -128,7 J 
 
22) 4.54 – A pressão interna num balão é dada por P = C2V1/3, em que C2 = 100 
kPa/m. O balão é enchido com ar de um volume inicial de 1 m3 até o volume 
final de 3 m3. Determine a massa de ar contida no balão no estado final e o 
trabalho realizado pelo ar no processo. Admita que a temperatura do ar seja 
constante e igual a 25 °C. 
 
Resp: (a) 5,06 kg; (b) 250 kJ 
 
 
 
23) 4.66 – Um conjunto cilindro-pistão contém 1,5 kg de ar a 300 K e 150 kPa. O 
ar é então aquecido em dois processos sucessivos: o primeiro ocorre a volume 
constante e a temperatura é elevada até 1000 K, (estado 2), o segundo processo 
ocorre a pressão constante até 1500 K (estado 3).(a) Determine o volume do ar 
no estado final e o (b) trabalho realizado nos dois processos. 
 
 Resp: (a) 1,29 m3; (b) 215 kJ 
 
24) -35 Um vaso rígido de 10 L inicialmente contém uma mistura de líquido e vapor de água a 100 oC com 
título de 12,3 %. A mistura é então aquecida até que sua temperatura seja de 150 oC. 
 
 Calcule a transferência de calor necessária para este processo 
 
 Resp. 46,9 kJ 
 
 
25) 6.12 – Ar a 35 °C e 105 kPa escoa numa tubulação retangular com dimensões iguais 
a 100 mm e 150 mm. Sabendo que a vazão volumétrica é igual a 0,015 m3/s, calcule 
a velocidade e a vazão mássica desse escoamento. 
 
Resp: 1 m/s, 0,0178 kg/s 
 
 
 
 
 
 
 
26) 6.15 – Uma caldeira é alimentada com 5000 kg/h de água líquida a 5 MPa e 20 °C 
e descarrega o vapor d’água a 450 °C e 4,5 MPa. Determine quais devem ser as áreas 
das seções de escoamento de alimentação e descarga da caldeira de modo que as 
velocidades dos escoamentos não excedam 20 m/s. 
 
Resp: 0,69 cm2, 50 cm2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
27) 4.72 (4,68) – Considere o conjunto cilindro-pistão mostrado na figura abaixo. O 
conjunto contém 10 kg de água. Inicialmente, a água encontra-se em que a pressão 
e 100 kPa e com título 50 %. A água é então aquecida até o volume do conjunto se 
tornar igual ao triplo do volume inicial. A massa do pistão é tal que a pressão interna 
necessária para desencosta-lo do esbarro é 200 kPa. 
 
 
 
 
 
 a) Determine a temperatura e o volume da água no estado final. 
 
 b) Determine o trabalho realizado pela água no processo. 
 
 Resp: 829 °C; 25,4 m3; 3,39 MJ 
 
 
28) 4.99 – Um conjunto cilindro-pistão contém ar a 300 kPa e 300 K e o volume do 
ar é 0,1 m3. O ar é aquecido até 600 K num processo que dura 30 s com 
velocidade do pistão constante. Determine a potência fornecida ao pistão. 
 
 
Resp: 1 kW 
 
 
 
 
 
 
Primeira Lei da Termodinâmica para Sistema Fechado 
 
29) 5.42 (5.37) – Um conjunto cilindro com pistão sem atrito contém 2 kg de vapor 
superaquecido de refrigerante R-134a a 100 °C e 350 kPa. O conjunto é, então, 
resfriado a pressão constante até que o refrigerante apresente título igual a 75%. 
Calcule a transferência de calor nesse processo. 
 
 Resp. -275 kJ 
 
 
 
 
 
30) 5.81 – Numa pia com 5 L de água a 70 °C são colocadas panelas de alumínio 
com massa de 1 kg, 1 kg de talheres (aço) e 1 kg de copos de vidro, todos a 20 
°C. Qual é a temperatura final, desprezando-se qualquer troca de calor e trabalho 
com o ambiente. 
 
 Resp: – 65 °C 
 
 
31) 5.150 – um conjunto cilindro-pistão opera à pressão constante de 700 kPa e 
contém água. O volume ocupado pela água e o título são iguais a 0,1 m3 e 90 
%, respectivamente. Um aquecedor é ligado e a água é aquecida com uma taxa 
de transferência de calor igual a 2,5 kW. Qual é o tempo necessário para que 
todo o líquido evapore? 
 
Resp: 0,0012 kg/s 
 
32) (4.51) Um amostra de ar é comprimida do estado inicial ( p = 125 kPa e T = 325 
K) até o estado final onde a temperatura é igual a 500 K. Sabendo que a 
compressão é politrópica, determine o expoente n relativo ao processo e ao 
trabalho específico associado. 
 
Resp: 1,969; -51,8 kJ/kg 
 
 
 
 
 
Segue a abaixo os Exercícios altamente recomendáveis do Livro 
Termodinâmica 7 ediçãoYunus A. Cengel Michel A. Boyle 
 
 
 
 
Capítulo 1 
 
Pág: 42 
 
Exercícios: 1-67 
 
 
 
 
 
Capítulo 2: 
 
Pág. 98 
 
Exercícios: 2-1C ; 2-2C ; 2-4C ; 2-12 ; 2-18 C ; 2-20 C ; 2-21 C 
 
Pág 99 
 
Exercícios: 2-32 
 
 
Pág: 100 
 
Exercícios: 2-40C ; 2-41 C2 ; 2-43E ; 2-44; 2-50 
 
Pág 104 
 
Exercícios: 2-89C ; 
 
Capítulo 3 
 
Obs: (1) Altamente recomendável fazer os exemplos desse capítulo; 
 
 
 
Pág: 151 
Exercícios: 3-1 C ; 3-2C ; 3-6C ; 3-8C 
 
Pág: 152: 
 
Exercícios: 
3-14 C ; 3-15 C ; 3-17 C ; 3-18 C ; 3-19 C ; 3-20C, 3-27 C ; 3-28 
 
Pág: 153 
 
Exercícios: 3-22 ; 3-37 E ; 3-29 
 
 
 
Pág. 154 
 
Exercícios: 3-44 ; 3-49 ; 3-51 
 
Pag: 156 
 
Exercícios: 3-84C ; 3-85 C; 3-86C 
 
Pag: 157 
 
Exercícios: 3-87 ; 3- 90 ; 3-93 ; 3-96. 
 
Capítulo 4 
 
Obs: (1) Altamente recomendável fazer os exemplos desse capítulo; 
 
Pag: 196 
 
Exercícios: 4-1C ; 4-2 C ; 4-6 ; 4-8 
 
Pag: 197 
 
Exercícios: 4-23 ; 4-24 ; 4-25 
 
Pag: 199 
 
Exercícios: 4-35 ; 4-38 ; 
 
Pág: 200 
 
Exercícios: 4-42 ; 4-43 
 
Pag: 201 
 
Exercícios: 4-63 ; 4:64E ; 4-67 ; 
 
Pag: 202 
 
Exercícios: 4.70E ; 4:74