Terceira Lista de Exercícios de Termodinâmica_2_2023_com respostas (3)

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Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais 
Departamento de Engenharia Mecânica 
Disciplina: Termodinâmica 
Prof. Mara Nilza Estanislau Reis 
 
 
 
 
 
 
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Exercícios de TERMODINÂMICA - 2° semestre 
 
 
Valor: 13 pontos 
DATA DE ENTREGA: 14/12/2023 
OBSERVAÇÃO: Em cada questão, da 1a a 6ª, resolver somente uma, totalizando 
seis questões. 
 
 
1a QUESTÃO: ESCOLHER UMA QUESTÃO (valor: xx pontos) 
 
1A) Um conjunto cilindro-pistão sem atrito contém líquido mais com vapor d'água 
a pressão de 2 bar e título inicial de 90%. Durante um processo a pressão constante, 600KJ 
de calor são transferidos para o ar a temperatura Tar = 25°C. Como resultado, parte do 
vapor no cilindro condensa. 
 Determinar: 
 1.1.A. A variação de entropia da água em (kJ/kg.K). 
 1.2.A. A geração total de entropia durante o processo de transferência de calor 
em (kJ/kg.K). 
 1.3.A. O título final da mistura em (%). 
 
1B) Água líquida 200 kPa a 20°C é aquecida em uma câmara pela mistura com 
uma corrente de vapor de água superaquecido a 200 kPa e 150°C. A água líquida entra 
na câmara de mistura com uma vazão de 2,5 kg/s e estima-se que a câmera perca calor 
para o ambiente a 25°C a uma taxa de 1.200 kJ/min. Considerando que a mistura sai da 
câmara a 200 kPa e 60°C, determinar: 
1.1.B. A vazão mássica de vapor superaquecido (kg/s); RESPOSTA: 0,158 kg/s 
1.2.B. A taxa de geração de entropia durante o processo (kW/K). RESPOSTA: 
0,25 kW/K 
Representar os processos em um diagrama (T x s) com valores numéricos. 
Representar as linhas de mudança de fase ou de saturação. 
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2a QUESTÃO: (valor: xx pontos) 
 
2A)Uma máquina, que opera segundo um ciclo de Carnot utiliza água como fluido 
de trabalho. O estado da água varia de líquido saturado a 200°C para vapor saturado a 
200°C no processo de adição de calor do ciclo. Calor é rejeitado da máquina num processo 
isobárico e isotérmico a 20 kPa. Esta máquina térmica aciona um refrigerador, baseado 
no ciclo de Carnot, que opera entre reservatórios térmicos que apresentam temperaturas 
iguais a (-15°C) e 20 °C. Determinar: 
2.1.A. O calor transferido para a água por quilograma de fluido de trabalho 
(kJ/kg); RESPOSTA: 1.940,7 kJ/kg 
2.2.A. A transferência de calor para a água da máquina térmica de modo que o 
refrigerador remova 1 kJ do reservatório a (-15°C) (kJ); RESPOSTA: 0,39 kJ 
Representar os processos em um diagrama (T x s) com valores numéricos. 
Representar as linhas de mudança de fase ou de saturação. 
 
 
 
 
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3a QUESTÃO: ESCOLHER UMA QUESTÃO (valor: xx pontos) 
 
3A) Vapor de água entra em um bocal adiabático a 2,5 MPa e 450°C com uma 
velocidade de 55 m/s, saindo a 1 MPa e 390 m/s. Considerando que o bocal tem uma área 
de entrada igual a 6 cm2, determinar: 
3.1.A. A vazão mássica (kg/s); RESPOSTA: 2,53 x 10-3 kg/s 
3.2.A. A temperatura com que a água sai do bocal (°C); RESPOSTA: 405,8°C 
3.3.A. A taxa de geração de entropia desse processo (kW/K); RESPOSTA: 7,78 
x 10-4kW/K 
Representar os processos em um diagrama (T x s) com valores numéricos. 
Representar as linhas de mudança de fase ou de saturação. 
 
 
3B) Considera-se o escoamento de vapor d'água através de um bocal. O vapor 
entra no bocal a 1 MPa, 300°C e com uma velocidade de 30 m/s. A pressão do vapor na 
saída do bocal é 0,3 MPa. Determinar a velocidade do vapor, em (m/s) na saída do bocal, 
admitindo que o processo seja adiabático, reversível e em regime permanente. 
Esboçar todos os estados e processos nos diagramas "T-s". RESPOSTA: 737,30 
m/s 
 
 
 
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4a QUESTÃO: ESCOLHER UMA QUESTÃO (valor: xx pontos) 
 
4A)Vapor de água se expande em uma turbina em um processo em regime 
permanente a uma vazão de 40.000 kg/h, entrando a 8 MPa e 500°C e saindo a 40 kPa 
como vapor saturado. Considerando que a potência gerada pela turbina é de 8,2 MW e 
que a temperatura da vizinhança é 26,85°C, determinar: 
4.1.A. A temperatura de saída da turbina (°C); RESPOSTA: 75,87 °C 
4.2.A. A taxa de calor trocado entre a turbina e a vizinhança (kW); RESPOSTA: 
-260,3 kW 
4.3.A. A taxa de geração de entropia nesse processo (kW/K); RESPOSTA: 
11,4kW/K 
Representar o processo em um diagrama (T x s) com os valores numéricos. 
Representar as linhas de mudança de fase ou de saturação. 
 
4B)Vapor d'água entra numa turbina a 300°C, a pressão de 1 MPa e com 
velocidade de 50 m/s. O vapor sai da turbina a pressão de 150 kPa e com uma velocidade 
de 200 m/s. Determinar o trabalho específico realizado pelo vapor, em (kJ/kg) que escoa 
na turbina, admitindo que o processo seja adiabático, reversível e em regime permanente. 
Esboçar todos os estados e processos nos diagramas "T-s". RESPOSTA: 377,78 
kJ/kg 
 
 
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5ª Questão: ESCOLHER UMA QUESTÃO (valor: xx pontos) 
 
5A) Entre duas fontes térmicas a 680 e 490 K se transfere uma quantidade de calor 
de 100 kJ. O ambiente se encontra a 300 K. Determinar: 
5.1. A variação de entropia em cada uma de suas fontes térmicas, em (kJ/K). A 
soma destas variações está de acordo com o princípio do aumento da entropia. 
5.2. A produção de entropia na região de transferência de calor em (kJ/K). 
5.3. A porcentagem pela qual o potencial de trabalho de 100 kJ é reduzido devido 
à sua transferência para a fonte de 490 K. 
5.4. A porcentagem pela qual o potencial de trabalho aumenta de 100 kJ para 680 
K se To cair para 275 K. 
 
 
 
5B) A energia está disponível em uma quantidade de 3000 kJ de uma fonte de 
calor a 800 K. A temperatura ambiente é de 300 K. Esta energia é transferida como calor 
da fonte a 800 K. Determinar: 
5.1. A variação de entropia em cada uma de suas fontes térmicas, em (kJ/K). 1.2. 
A produção de entropia na região de transferência de calor em (kJ/K). 
5.3. A porcentagem pela qual o potencial de trabalho de uma dada quantidade de 
calor é reduzido devido à sua transferência para a fonte em 600 K. 
 
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6ª Questão: (valor: xx pontos) 
Durante o inverno, uma bomba de calor de Carnot com potência igual a 3 kW é 
utilizada para manter a temperatura constante a 25°C em uma sala. Essa sala recebe ainda 
calor de uma máquina térmica reversível cuja temperatura do reservatório quente é 
igual a 700°C e perde calor para as paredes a uma taxa de 2.400 kJ/min. Considere 
o ambiente externo a 0°C. Determinar: 
2.1 A taxa de calor fornecida à máquina térmica em (kW). 
2.2 A taxa com que o calor é fornecido a bomba de calor em (kW). 
2.3 A potência produzida pelo motor em (kW). 
 
 
 
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