Exercícios de Sistemas mecânicos

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Exercícios de Sistemas Mecânicos 
 
1. Um aquecedor com uma potência de 4 kW foi utilizado em um processo de 
aquecimento de água por 2 horas para elevar a temperatura da água ao nível 
desejado. A quantidade de energia elétrica usada em kWh e kJ, respectivamente, foi 
de: 
B. 8 kWh e 2,88 X 104 kJ 
 
2. O tanque de gasolina de um carro é completado com um bocal que descarrega 
gasolina a uma vazão constante. Com base nas unidades de grandezas físicas, 
obtenha uma expressão para o tempo de enchimento, considerando o volume V do 
tanque (em L) e da taxa de descarga de gasolina �´ (em L/s). 
 
D. 𝑡 =
𝑉
�́�
 
 
3. Para encher com água uma piscina de volume V (em m3), será utilizada uma 
mangueira de diâmetro D (em m). Considerando que a velocidade média de descarga 
é v (em m/s) e o tempo de enchimento é t (em s), a expressão para o volume da 
piscina será: 
 
B. 𝑉 =
𝜋𝑣𝐷2𝑡
4
 
 
4. O calor específico a pressão constante do ar a 25 °C é 1,005 kJ/(kg·°C). A expressão 
correta deste valor em kJ/(kg·K), J/(g·°C) e kcal/(kg·°C) é: 
 
E. 1,005 kJ/kg.K ; 1,005 J/g.ºC ; 0,240 kcal/kg.ºC 
 
5. Marque a alternativa correta para a massa e o peso do ar, respectivamente, 
contido em uma sala cujas dimensões são 6 m X 6 m X 8 m. Suponha que a densidade 
do ar seja de 1,16 kg/m3. 
 
A. 334,08 kg e 3277,32 N 
 
6. Sabe-se que a termodinâmica é a ciência da energia com base em leis cujos 
experimentos foram realizados em tempos passados. Essas leis caracterizam o 
processo termodinâmico que acontece em máquinas e equipamentos da engenharia 
até hoje. 
Sabendo disso, marque a alternativa que indica a presença da termodinâmica na 
engenharia mecânica. 
 
A. Sistemas de refrigeração e de aquecimento. 
 
7. Sabe-se que a temperatura é propriedade importante na termodinâmica e que sua 
alteração pode causar mudanças quanto ao calor e quanto às medidas do corpo que 
está sendo aquecido. 
Sabendo disso, assinale a alternativa que apresenta a lei da termodinâmica que diz: 
"para dois sistemas que apresentam temperatura igual à de um terceiro sistema, 
haverá equilíbrio térmico entre os corpos". 
 
A. Lei Zero da Termodinâmica. 
 
8. Um sistema é definido como uma quantidade de matéria ou região do espaço 
selecionada para estudo. A massa ou região fora do sistema é chamada de 
vizinhança. Os sistemas podem ser considerados abertos ou fechados, dependendo 
se a massa em estudo é constante ou não. Se, em um caso especial, nem massa, nem 
energia (calor e/ou trabalho) atravessa a fronteira, o sistema é chamado de sistema 
isolado (Çengel, 2013). Com base nesse contexto, marque a alternativa que indica o 
sistema que apresenta troca de matéria, além de troca de calor: 
 
B. Sistema aberto, apenas. 
 
9. Calor e temperatura são conceitos associados. Temperatura é a medida para o 
grau de agitação das moléculas de um corpo. Macroscopicamente, a temperatura é 
percebida pelas sensações de quente e frio. Com relação ao calor, assinale a 
alternativa correta: 
 
B. Calor como interação de energia ocorre somente se houver alteração de 
temperatura. 
 
10. Sabe-se que, entre os conceitos básicos de termodinâmica, temos a eficiência, 
que indica o rendimento do equipamento ou da máquina. Sabendo disso, marque a 
alternativa que apresenta a relação da influência do calor no rendimento: 
 
C. Quanto maior o calor, menor o rendimento. 
 
11. A temperatura de ebulição da água é uma função da altura em relação ao nível 
do mar. Sabendo disto, marque alternativa que apresenta regiões onde a água ferve 
a 100°C e abaixo de 100°C, respectivamente: 
 
B. Salvador e Belo Horizonte. 
 
12. Três recipientes fechados com iguais volumes de água estão em um laboratório 
ao nível do mar e sob pressão constante. No recipiente 1 a água está a 100°C, no 
recipiente 2 a 80°C e no recipiente 3 a 0°C. Marque a alternativa que apresenta o 
nome correto dos estados físicos, respectivos, para a água: 
 
D. Mistura líquido-vapor saturado; líquido comprimido e mistura sólido-líquido 
saturado. 
 
13. Utilizando as tabelas de propriedades da água, em anexo, marque a alternativa 
que apresenta o volume e a pressão de um tanque que contém 100 kg de água 
líquida saturada a 80°C. 
 
A. V = 0,1029 m3; Psaturação = 47,416 kPa 
 
14. Utilizando as tabelas de propriedades da água, em anexo, marque a alternativa 
que apresenta o volume e a temperatura da água de um tanque que contém 100 kg 
de água líquida saturada, sendo a pressão de operação do tanque de 200 kPa. 
 
E. V = 0,1061 m3; Tsaturação = 120,21ºC 
 
15. Um tanque industrial fechado contendo água apresenta 200 kg de água à 
temperatura ambiente. O líquido deste tanque foi aquecido até a temperatura de 
saturação de 110°C, neste momento a massa de líquido medida foi de 160 kg. 
Marque a alternativa que apresenta a pressão e o volume do tanque, 
respectivamente. 
 
D. Psaturação = 143,38 kPa; V = 48,5443 m3 
 
16. Uma massa de 10 kg de gás refrigerante R-134a enche um recipiente rígido de 
1,348 m3 a uma temperatura inicial de -40°C. O recipiente é então aquecido até a 
pressão de 200 kPa. Marque a alternativa que apresenta a temperatura final e a 
pressão inicial, respectivamente. 
 
D. T= 66,30 ℃; P=51,25 kPa 
 
17. Um recipiente de 9 m3 é preenchido com 300 kg de R-134a a 10 °C. Marque a 
alternativa que apresenta a entalpia específica do R-134a no recipiente. 
 
A. h= 179,87 {kJ} over {kg} 
 
18. Um quilo de água enche um recipiente rígido de 150 L a uma pressão inicial de 2 
MPa. O recipiente é então resfriado para 40 °C. Marque a alternativa que apresenta, 
respectivamente, a temperatura inicial e a pressão final da água. 
 
D. 𝑇 = 395,17℃; 𝑃𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎çã𝑜 = 7,38𝑘𝑃𝑎 
 
19. A correta interpretação das regiões no diagrama de fases é determinante na 
identificação do estado físico e de variáveis independentes em sistemas 
termodinâmicos, o ponto triplo e o ponto crítico são duas importantes considerações 
durante estas interpretações. Sobre os pontos triplo e crítico, marque a alternativa 
correta. 
 
B. O ponto triplo é caracterizado pela existência dos três estados físicos distintos de 
uma substância, enquanto o ponto crítico delimita a pressão e temperatura limites 
para distinguir os estados líquido e vapor. 
 
20. Os diagramas de fases são ferramentas úteis na previsão da constituição de fases 
de uma substância. Sobre os diagramas de fases marque a alternativa correta. 
 
E. Em um diagrama P-T a sublimação só ocorrerá em pressões e temperaturas abaixo 
do ponto triplo, enquanto a vaporização ocorrerá acima do ponto triplo. 
 
21. Considere um sistema fechado que passa por uma mudança de fase, de vapor 
para líquido. De acordo com a primeira lei da termodinâmica, como a energia pode 
cruzar a fronteira desse sistema? 
 
B. Na forma de calor ou de trabalho, e cada um deles pode ser positivo ou negativo. 
 
22. Um determinado gás é encontrado em um recipiente fechado, não havendo troca 
de massa com o ambiente. Ao receber 20 joules de energia na forma de calor, realiza 
5 joules de trabalho. 
Como a energia interna do gás antes de receber o calor era U = 80 joules, qual será, 
em joules, essa energia após o recebimento de calor? 
Considere o sistema em estudo estacionário, ou seja, sem variação de energia cinética 
e potencial. 
 
D. 95. 
 
23. Ao analisar tipos específicos de processos termodinâmicos é usual que a 
combinação de certas propriedades termodinâmicas seja mais prática que as 
propriedades separadas. Um exemplo disso é a entalpia. 
Considerando um sistema estacionário (sem variação de energia cinética ou 
potencial), a respeito da entalpia, marque a alternativa correta. 
 
B. A entalpia de um sistema é uma grandeza (expressa em unidades de energia) que 
informa a quantidade de energia desse sistema, a qual poderia ser transformada em 
calor em um processo a pressão constante. 
 
24. Um sistema pode ter diversas formas de energia, tais como: potencial 
gravitacional, cinética, potencial elástica e interna. 
Considerandoo estudo da termodinâmica e seus conceitos básicos, indique qual das 
alternativas a seguir trata apenas de propriedades em um sistema macroscópico 
isolado. 
 
A. Massa e volume específico. 
 
25. Um aquecedor com resistência elétrica de 2kW é ligado por 15 minutos em uma 
sala vazia. A massa do ar na sala é de 75kg e a sala é vedada para que não ocorra 
fluxo de ar. Considerando o calor específico a volume constante do ar igual a 
718J/kg.°C, qual é a elevação do valor da temperatura do ar na sala após 15minutos? 
 
D. 33,4°C. 
26. Os princípios de funcionamento de motores de combustão interna, turbinas, 
compressores, ar-condicionados e geladeiras se baseiam nas leis da termodinâmica, 
que são um conjunto de observações empíricas que sevem de base para o 
desenvolvimento de máquinas térmicas, como as citadas. 
Com base nos princípios que regem as leis da termodinâmica, é correto afirmar que: 
 
E. existe uma quantidade definida de energia mecânica, que pode ser obtida a partir 
de determinada quantidade de energia térmica. 
 
27. Com base na Segunda Lei da Termodinâmica, e considerando os seguintes 
processos: 
I. transferência de calor mediante diferença finita de temperatura; 
II. expansão não resistida de fluido; 
III. mistura espontânea da matéria; 
IV. atrito. 
Quais são exemplos de processos irreversíveis? 
 
E. I, II, III e IV. 
 
28. A Primeira Lei da Termodinâmica trata da conservação da quantidade de energia 
de um sistema. A Segunda Lei trabalha o conceito da qualidade dessa energia. Com 
base na Segunda Lei da Termodinâmica, de forma básica, pode-se entender que os 
processos termodinâmicos ocorrem naturalmente na direção da redução da 
qualidade da energia. Nesse contexto, dois enunciados para a Segunda Lei da 
Termodinâmica, ambos propostos no século XIX, são atualmente utilizados: o 
proposto por Kelvin-Planck e o proposto por Clausius. 
Considerando a Segunda Lei da Termodinâmica, o enunciado de Clausius está 
relacionado com o: 
 
D. refrigerador e estabelece que “é impossível construir um dispositivo que opere 
segundo um ciclo e que não produza outros efeitos, além da transferência de calor de 
um corpo frio para um corpo quente”. 
 
29. As máquinas térmicas são máquinas capazes de converter calor em 
trabalho. Uma máquina térmica recebe 600kJ de calor de uma fonte de calor e 
rejeita 150kJ de calor para o ambiente (sumidouro). Qual o trabalho realizado pela 
máquina térmica e qual a eficiência real da máquina? 
 
D. 450kJ e 75%. 
 
30. Uma máquina térmica tem rendimento de 40% e realiza um trabalho de 2.000 
Joules. Assinale a alternativa que indica a quantidade de calor rejeitada para a fonte 
fria, em Joules, pela referida máquina: 
 
C. 3.000J. 
 
31. O ciclo de Carnot recebe esse nome em homenagem ao seu inventor, que propôs 
um ciclo termodinâmico que teoricamente teria eficiência máxima. Com relação aos 
processos que envolvem o ciclo de Carnot, é correto afirmar: 
 
C. Há dois processos adiabáticos. 
 
32. Considerando o princípio de funcionamento do ciclo de Carnot, julgue as 
seguintes afirmações: 
I – É um ciclo formado por dois processos isotérmicos e dois adiabáticos, todos 
reversíveis, sendo dois de compressão e dois de expansão. 
II – Sua eficiência é calculada com base na relação entre o trabalho líquido realizado 
pelo gás e o calor fornecido ao reservatório frio. 
III – O ciclo de Carnot é o ciclo termodinâmico de maior eficiência que pode ocorrer 
entre dois reservatórios térmicos com temperaturas distintas. 
Está correto o que se afirma em: 
 
E. I e III, apenas. 
 
33. Considere uma máquina operando segundo o ciclo de Carnot com rendimento 
igual a 20%. Ao dobrar o valor da temperatura da fonte quente, qual o novo valor da 
eficiência dessa máquina? 
 
E. 60%. 
 
34. A máquina térmica de Carnot é uma máquina que opera sob um regime 
específico de duas isotérmicas e duas adiabáticas. Um ciclo térmico, quando opera 
segundo o ciclo de Carnot, apresenta a máxima eficiência, ou seja, para determinada 
quantidade de calor fornecido, a máquina térmica de Carnot é a que produz o maior 
trabalho. Considerando uma máquina térmica de Carnot, qual o seu rendimento 
quando opera entre as temperaturas de 340°C e 50°C? 
 
D. 47%. 
 
35. Considere um refrigerador de Carnot com coeficiente de desempenho (COP) igual 
a 3,4. Se uma bomba de calor de Carnot opera entre os mesmos reservatórios 
térmicos do refrigerador de Carnot, qual o valor aproximado do COP da bomba de 
calor? 
 
D. 4,4. 
 
36. Uma máquina térmica de Carnot recebe 500 kJ de calor por ciclo de uma fonte à 
temperatura de 652 ºC e rejeita calor para um sumidouro à temperatura de 30 ºC. 
Determine a eficiência térmica dessa máquina. 
 
A. 67,2%. 
 
37. Há alguma forma de aumentar a eficiência de uma máquina térmica de Carnot, 
além de aumentar TH ou diminuir TL? 
D. Não há como. 
 
38. Suponha que um motor de combustão externa opere entre uma fonte a 477 ºC 
e outra a 25 ºC. Considerando que o calor é fornecido à caldeira a uma taxa 
constante de 65.000 kJ/min, determine a potência útil máxima de saída da caldeira, a 
qual será utilizada para a movimentação de um gerador. 
 
C. 652 kW. 
 
39. Um refrigerador operando no ciclo de Carnot reverso necessita de 200 kW de 
trabalho e rejeita 2.000 kW de calor a um reservatório de calor a 27 ºC. Determine a 
carga de refrigeração do refrigerador, em kW, e a temperatura da fonte, em ºC. 
 
B. 1.800 kW e -3 ºC. 
 
40. Uma bomba de calor é usada para manter uma casa a 22 ºC pela extração de 
calor do ar externo em um dia em que a temperatura externa é de 2 ºC. Calcula-se 
que a casa perde calor a uma taxa de 110.000 kJ/h e que a bomba de calor 
consome 5 kW de energia elétrica quando em operação. 
Essa bomba de calor tem potência suficiente para realizar o serviço? Qual é o 
resultado? 
 
A. Sim. Pot = 2.07 kW.