TERMODINAMICA_APLICADA (2)

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TERMODINÂMICA APLICADA (MEC 0404 A/AA) – 15/2 - prof. Sergio da Silva Kucera 
1ª Lista de exercícios 
 
1.1. Gás em um dispositivo cilindro-pistão passa por um processo de expansão 
politrópica (pVn= cte). A pressão inicial é de 3 bar e os volumes inicial e final são 
0,1 e 0,2 m3 respectivamente. Não há variação signficativa das energias cinética e 
potencial. Determine o trabalho realizado no processo para os casos abaixo e 
esboce os resultados em um diagrama p x V. 
a) n= 1,5; b) n= 1; c) n=0. 
 
1.2. Para o processo a) do problema anterior, sabendo que a massa de gás é 0,4 kg e 
que houve variação de -55 kJ/kg na sua energia interna específica, calcule a 
transferência de calor. 
 
1.3. Um conjunto cilindro pistão vertical contém 0,27 kg de ar e é equipado com uma 
resistência elétrica. A atmosfera exerce pressão de 101,3 kPa no topo do pistão, 
cujas massa e área são, respectivamente, 45,4 kg e 0,09 m2. O dispositivo é feito 
de material isolante. Uma corrente elétrica passa pela resistência e o volume do 
ar aumenta lentamente de 0,045 m3, enquanto sua pressão permanece constante. 
No processo o ar tem um aumento de energia interna de 41,83 kJ/kg. O atrito 
entre cilindro e parede do pistão pode ser desprezado. Ar e pistão encontram-se 
imóveis ao início e fim do processo. Determine: 
a) a quantidade de calor recebida, considerando a massa de ar como sistema; 
b) idem, para um sistema composto da massa de ar e do pistão; 
c) a variação de energia potencial gravitacional da masa de ar no caso anterior. 
 
1.4. Um conjunto cilindro-pistão horizontal contém ar aquecido, que sofre um 
lento resfriamento de 0,003 a 0,002 m3. Agem sobre pistão a pressão 
atmosférica de 100 kPa, e uma mola cuja força varia linearmente de 900 N na 
condição inicial até ser nula no final. A área de face do pistão é 0,018 m2 e o 
seu atrito com a parede do cilindro é desprezível. Determine: 
a) as pressões inicial e final do ar; 
b) o trabalho envolvido no processo. 
 
1.5. Um redutor de engrenagens recebe 60 kW de um motor elétrico e fornece 
potência através do seu eixo de saída. No local de operação a temperatura do 
ar longe das imediações do redutor mantém-se a 20 oC. Quando operando em 
regime permanente sua superfície externa (1 m2) mantém-se à 27 oC e há 
transferência de calor por convecção à taxa de 0,171 kW/m2.K. Determine: 
a) a taxa de tranferência de calor por unidade de tempo (kW); 
b) a potência fornecida pelo redutor. 
 
1.6. Um dispositivo cilindro-pistão contém água a 500 oC, 3 MPa e 0,116 m3/kg, que 
é então resfriada até 200 oC, 1 MPa e 0,206 m3/kg. Supondo que o processo 
seja politrópico, determine: 
a) o expoente da função; 
b) o trabalho no processo. 
 
1.7. Uma massa de 10 kg passa por um processo em que perde 5 kJ/kg de calor, tem 
sua altura reduzida de 50 m, um aumento de 15 para 30 m/s na sua velocidade, e 
uma redução de 5 kJ/kg na sua energia interna. Qual o trabalho no processo? 
1.8. Ar à condição de 200 kPa e 30 °C está contido em um conjunto cilindro-pistão, e 
ocupa o volume de 0,1 m3. Sua pressão equilibra a atmosférica (100 kPa) mais 
uma força imposta externamente proporcional à V0,5. Transfere-se calor ao ar até 
que sua pressão seja 225 kPa. Determine o trabalho realizado no processo. 
 
1.9. Em um conjunto cilindro pistão equipado com um agitador há 5 kg de vapor, cuja 
energia interna inicial é 2.709,9 kJ/kg. O vapor é expandido até um estado onde 
sua energia interna é 2.659,6 kJ/kg. No processo há tranferência de 80 kJ de calor 
ao vapor, e o agitador fornece a ele 18,5 kJ de energia como trabalho. Qual o 
trabalho de expansão? Desconsidere os efeitos das energias cinética e potencial. 
 
1.10. Um aerogerador produz potência elétrica média à saída de 15 kW, destinada ao 
carregamento de uma bateria. No processo de carga há dissipação constante de 
calor à taxa de 1,8 kW da bateria à vizinhança. Para um tempo de 8 h de carga, 
qual a quantidade de energia armazenada na bateria? 
 
1.11. Gás CO2 é mantido em um conjunto cilindro pistão vertical. A massa do 
pistão é 50 kg e sua área, 0,01 m2. A quantidade de gás é de 4 g e ocupa 
inicialmente o volume de 0,005 m3 e apresenta energia interna específica de 
675 kJ/kg. A atmosfera exerce pressão de 100 kPa sobre o topo do pistão. 
Uma lenta tranferência de calor de 1,95 kJ ocorre do gás para a vizinhança, 
com seu volume sendo reduzido à metade. O atrito entre cilindro e pistão 
pode ser desprezado. Determine para o CO2: 
a) a pressão final; 
b) a energia interna específica final. 
 
1.12. Um gás em um conjunto cilindro pistão é 
submetido a um ciclo termodinâmico 
conforme diagrama ao lado. No processo 
3 há geração de 10,5 kJ de trabalho. 
Sabendo-se que o trabalho líquido no ciclo 
é de -8,3 kJ e que não há variações nas 
energias cinética e potencial, determine: 
 a) o volume no estado 1; 
 b) o trabalho e a tranferência de calor no 
 o processo 1-2. 
 
1.13. O ciclo de potência de uma central termelétrica possui eficiência térmica de 
40 %, gerando eletricidade à taxa de 100 MW. Supondo a energia elétrica 
fornecida às distribuidoras a R$ 0,20/kWh, um custo do combustível de 
R$ 20,00/GJ, e uma operação média anual de 8.000 h, determine: 
a) o valor médio anual obtido com a venda de energia elétrica; 
b) o custo médio anual de combustível; 
c) o retorno financeiro médio anual da central termelétrica. 
 
1.14. Um refrigerador doméstico com COP de 2,4 retira energia do espaço 
refrigerado à taxa de 330 W. Considerando um custo de eletricidade de 
R$ 0,35/kWh (sem impostos) e um tempo efetivo de funcionamento de 360 
h/mês, estime o gasto médio mensal de energia elétrica do refrigerador.