Sistemas Térmicos e Fluidomecânicos

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Conteúdo do exercício
1. Pergunta 1
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Leia o trecho a seguir:
“Turbinas e compressores são equipamentos projetados para extrair (turbina) ou adicionar (compressores) energia a fluido... e embora haja sempre perdas pelas paredes desses equipamentos, a análise teórica costuma desprezá-las especialmente em um primeiro estudo.”
Fonte: KROOS, K.A.; POTTER, M.C. Termodinâmica para engenheiros. 1ª Ed. São Paulo: Ed. Trilha, 2016.
Considerando as informações em relação às turbinas adiabáticas estudadas no ciclo de potência, imagine uma situação na qual o vapor de água com velocidade de 40 m/s entre em uma turbina adiabática através de um tubo de 4 cm de diâmetro a 2 MPa e 400°C e expanda-se para a saída mantido a 100 kPa.
Com base nessas informações e nos conteúdos estudados sobre o ciclo de potência, determine a energia produzida pela turbina, supondo que um processo de quase equilíbrio estático seja experimentado pelo vapor de água. 
Utilize os dados de vapor de água:
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89,5 kW.
450 kW.
656 kW.
Correta: 
190,18 kW
Resposta correta
21,4 kW.
2. Pergunta 2
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Leia o trecho a seguir:
“Desde a antiguidade, fatos históricos relatam o uso de máquinas que utilizavam o calor como fonte de energia para, de alguma forma, promover o desenvolvimento da humanidade e a Segunda Lei da Termodinâmica é o princípio que rege o funcionamento destas máquinas. O grande salto no desenvolvimento destas máquinas se deu por volta do século XIX com o advento da Revolução Industrial, impulsionando sua inserção na indústria e transporte.”
Fonte: KROOS, K.A.; POTTER, M.C. Termodinâmica para engenheiros. 1ª Ed. - São Paulo: Ed. Trilha, 2016. (adaptado).
Considerando essas informações e o conteúdo estudado sobre os ciclos motores a vapor, de acordo com a Segunda Lei da Termodinâmica, é correto afirmar que:
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uma Máquina Térmica pode ter um rendimento de até 100%.
Correta: 
uma Máquina Térmica sempre rejeita parte do calor retirado da fonte quente para a fonte fria.
Resposta correta
uma Máquina Térmica possui um ciclo cujo calor retirado da fonte quente é sempre igual à soma do trabalho e do calor rejeitado para a fonte fria.
uma Máquina Térmica sempre será capaz de converter todo o calor retirado de uma fonte quente em trabalho.
uma Máquina Térmica obedece ao fluxo de calor sempre da fonte fria para a fonte quente.
3. Pergunta 3
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Leia o trecho a seguir:
“Uma máquina de Carnot é uma máquina ideal que opera em um ciclo sem quaisquer irreversibilidades. Ela pode operar com qualquer fluido de trabalho, mas um gás ideal será assumido, pelo qual equações simplificadas estão disponíveis.”
Fonte: KROOS, K.A.; POTTER, M.C. Termodinâmica para engenheiros. 1ª Ed. - São Paulo: Ed. Trilha, 2016.
Imagine, segundo os conceitos estudados em ciclo motores a vapor, uma máquina de Carnot que opera entre duas fontes de temperaturas Tq e Tf = 200K e recebe cerca de 500J de calor de uma fonte quente. Considerando um trabalho mecânico produzido de 300 J, é correto afirmar que a temperatura Tq, da fonte quente será de:
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300 K
450 K.
400 K.
250 K.
Correta: 
500 K.
Resposta correta
4. Pergunta 4
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Leia o trecho a seguir:
“As perdas de carga, provocadas pelo atrito, e a transferência de calor ao ambiente são as perdas mais importantes nas tubulações. Consideremos, por exemplo, a tubulação que liga a caldeira a turbina... na turbina as perdas principais são aquelas associadas ao escoamento do fluido de trabalho através da turbina.”
Fonte: WYLEN, G.V; SONNTAG, R; BORGNAKKE, C. Fundamentos da Termodinâmica Clássica. 4ª Ed. São Paulo: Ed. Blucher, 2013.
Observe o diagrama a seguir:
Considerando essas informações e os conteúdos estudados em afastamento dos ciclos reais dos ideais, podemos afirmar que o estágio 4 do diagrama T x s representa:
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Brayton combinado.
Rankine regenerativo com aquecimento de água.
frigorífico de absorção de amônia.
Rankine simples.
Correta: 
Rankine com reaquecimento.
Resposta correta
5. Pergunta 5
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Leia o trecho a seguir:
“As usinas termelétricas geram eletricidade a partir de turbinas movidas a vapor. O ciclo de Rankine é um ciclo termodinâmico ideal que pode ser utilizado para modelar, de forma simplificada, uma usina termelétrica. A figura abaixo mostra de forma esquemática os elementos básicos de um ciclo de Rankine simples ideal.”
Fonte: KROOS, K.A.; POTTER, M.C. Termodinâmica para engenheiros. 1ª Ed. São Paulo: Ed. Trilha, 2016. (Adaptado).
Considerando o que foi estudado no ciclo Rankine e o fato de algumas usinas termelétricas que utilizam turbinas a vapor se encontrarem próximas a grandes reservatórios de água, como rios e lagos, analise as afirmativas a seguir:
I. O ciclo de Rankine simples mostrado prevê a reutilização da energia rejeitada no condensador e, por isso, tem rendimento comparável ao de um ciclo de Carnot que opera entre as mesmas temperaturas.
II. A instalação de algumas usinas próximas a grandes rios se dá devido à necessidade de remover calor do ciclo, pela transferência de calor que ocorre no condensador, porém, com implicações ao meio ambiente.
III. Em usinas que utilizam combustíveis fósseis, o vapor gerado na caldeira é contaminado pelos gases da combustão e não é reaproveitado no ciclo, sendo mais econômico rejeitá-lo, causando impacto ambiental.
IV. Entre as termelétricas, as usinas nucleares são as únicas que não causam Impacto ambiental, exceto pela necessidade de se armazenar o lixo nuclear gerado.
Está correto apenas o que se afirma em:
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Correta: 
I e II.
Resposta correta
II e IV.
II e III.
I e III.
III e IV.
6. Pergunta 6
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Leia o trecho a seguir:
“Um ciclo de Rankine ideal é aquele que fornece limite superior de eficiência de ciclo desde que não haja perdas. Na análise do ciclo Rankine é útil considerar que o rendimento depende da temperatura média na qual o calor é fornecido e da temperatura média na qual o calor é rejeitado.”
Fonte: WYLEN, G.V; SONNTAG, R; BORGNAKKE, C. Fundamentos da Termodinâmica Clássica. 4ª Ed. São Paulo: Ed. Blucher, 2013.
Considerando essas afirmações e com base nos estudos dos efeitos da variação de pressão e temperatura nos ciclos de potência a vapor, considere um ciclo básico de potência a vapor, operando segundo o diagrama T-s.
Fonte: KROOS, K.A.; POTTER, M.C. Termodinâmica para engenheiros. 1ª Ed. São Paulo. Ed. Trilha, 2016. (Adaptado)
Analisando o ciclo segundo os estados 1-2-3-4 e suas entalpias nos dispositivos do sistema:  = 192 kJ/kg,  = 204 kJ/kg,  = 2.780 kJ/kg e  = 2.060 kJ/kg, podemos afirmar que o calor, em [kJ/kg] rejeitado pelo fluido de trabalho no condensador, é:
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1245 [kJ/kg].
1668 [kJ/kg].
680 [kJ/kg].
Correta: 
1868 [kJ/kg].
Resposta correta
2536 [kJ/kg].
7. Pergunta 7
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Leia o trecho a seguir:
“Nas máquinas à vapor o movimento é alternativo e causado pela expansão do vapor em um conjunto pistão-cilindro. Nele, o sentido de rotação pode ser invertido e por apresentarem movimento alternativo, as máquinas a vapor produzem mais vibração do que uma turbina a vapor que produza saída de potência análoga.”
Fonte: KROOS, K.A.; POTTER, M.C. Termodinâmica para engenheiros. 1ª Ed. São Paulo: Ed. Trilha, 2016.
Com relação aos ciclos de potência a vapor, ao se comparar máquinas a vapor e a turbinas a vapor, é correto afirmar que:
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a máquina a vapor dispensa o uso do mecanismo biela-manivela.
a rotação da máquina a vapor equivale à rotação da turbina a vapor.
a máquina a vapor possui um baixo conjugado de partida, enquanto na turbina o conjugado do vapor é alto.
Correta: 
uma a máquina a vapor pode inverter o sentido de rotação, ao passo que a turbina a vapor mantém inalterado o sentido de rotação.
Resposta correta
as vibrações da máquina a vapor são menores do que as da turbina a vapor.
8. Pergunta 8
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Leia o excerto a seguir:
“Num ciclo de potência Rankine, a turbina produz trabalho a partir do vapor gerado na caldeira, contudo,este vapor deve estar superaquecido, para garantir total aproveitamento na extração de energia. Vapor com saturação ou produtos de combustão, além de reduzirem a eficiência, podem danificar a turbina.”
Fonte: KROOS, K.A.; POTTER, M.C. Termodinâmica para engenheiros. 1ª Ed. São Paulo: Ed. Trilha, 2016.
Imagine que uma caldeira esteja apresentando baixo rendimento na produção de vapor. Além disso, tem-se recebido reclamações do departamento de meio-ambiente de que a caldeira está com índice de poluição atmosférica acima do usual, com elevada quantidade de monóxido de carbono. 
Considerando essas informações e o que foi estudado em relação ao ciclo Rankine, identifique qual das afirmativas a seguir apresenta a possível causa e uma possível solução ao problema apresentado.
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Causa: a alimentação de água está ineficiente. Solução: efetuar limpeza interna na caldeira.
Causa: a alimentação de combustível está obstruída. Solução: desobstruir tubulação de alimentação de combustível.
Correta: 
Causa: a alimentação de ar para a combustão está ineficiente. Solução: ajustar o insuflador de ar de combustão.
Resposta correta
Causa: a válvula de segurança da caldeira está desajustada, liberando a pressão desnecessariamente. Solução: calibrar a válvula para pressão acima da PMTA.
Causa: não há alimentação elétrica no painel da caldeira. Solução: reparar instalação elétrica da caldeira.
9. Pergunta 9
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Leia o trecho a seguir:
“A condição para se aumentar o rendimento de um ciclo de potência para geração de energia consiste em aumentar a temperatura média com que o calor é transferido para o fluido de trabalho na caldeira ou diminuir a temperatura média na qual o calor é rejeitado no condensador.”
Fonte: WYLEN, G.V; SONNTAG, R; BORGNAKKE, C. Fundamentos da Termodinâmica Clássica. 4ª Ed. São Paulo: Ed. Blucher, 2013.
Considerando essas informações e o conteúdo estudado em relação ao ciclo Rankine com reaquecimento, analise as afirmativas a seguir e assinale V para a(s) verdadeira(s) e F para a(s) falsa(s).
I. ( ) Com o aumento da pressão na caldeira, aumenta-se também a eficiência do ciclo. 
II. ( ) A redução da pressão no condensador aumenta o trabalho líquido. 
III. ( ) O aumento do teor de umidade na saída da turbina é um efeito indesejado que acontece com o aumento de pressão na caldeira, corrigido com o reaquecimento do vapor.
IV. ( ) O superaquecimento do vapor na caldeira, apesar de aumentar a eficiência do ciclo, aumenta indesejavelmente o conteúdo de umidade na saída da turbina. 
Agora, assinale a alternativa que apresenta a sequência correta:
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V, F, V, V.
F, V, V, F.
Correta: 
V, V, V, F.
Resposta correta
F, V, F, V.
V, V, F, F.
10. Pergunta 10
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Leia o trecho a seguir:
“A preocupação com a racionalidade energética em sistemas de produção de energia está presente há séculos, desde James Watt, que após receber uma máquina a vapor de Newcomen para ser consertada, em 1763, proporcionou grandes avanços na concepção de sistemas mais eficientes, conforme cita THURSTON (1878). Foi quando nasceu o anseio em se melhorar o rendimento de tais máquinas, onde Watt realizou diversos experimentos para quantificar o aproveitamento útil da energia fornecida pela queima do carvão.”
Fonte: BARJA, Gabriel de Jesus Azevedo. A cogeração e sua inserção ao sistema elétrico. 2006. 171 f. Dissertação (Mestrado em Ciências Mecânicas) - Faculdade de Tecnologia, Universidade de Brasília, Brasília, 2006.
Considere uma situação na qual um fabricante alega ter construído uma máquina que, operando entre duas fontes de 200K e 100K, retire cerca de 100J da fonte quente a cada ciclo, ceda 25J para a fonte fria e realize 75J de trabalho. Levando em conta essas informações e os conteúdos estudados sobre o princípio dos ciclos motores a vapor, segundo as análises propostas por Kelvin-Plank e Carnot em relação às Máquinas Térmica, pode-se afirmar que essa máquina:
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é possível, uma vez que essa máquina térmica atenderia o princípio da conservação da energia.
é possível, uma vez que a temperatura da fonte quente é maior que a da fonte fria.
é possível, uma vez que seu rendimento é menor que a unidade.
é impossível, uma vez que essa máquina térmica contraria tanto o primeiro quanto o segundo princípio da termodinâmica.
Correta: 
é impossível, uma vez que o rendimento termodinâmico dessa máquina seria superior ao de uma máquina operando pelo ciclo de Carnot entre as mesmas temperaturas.