lista 1 lei para volume de controle

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

<p>Trabalho, Calor e Primeira Lei da Termodinâmica: Sistemas e VC</p><p>1. Calcule a variação da energia interna de 1 kg de dióxido de carbono quando ele é aquecido de</p><p>400K a 1200K. Admitindo: a) cv constante (T = 25ºC; Tabela A.5); b) cv médio (T = 800K)</p><p>utilizando a equação de calor específico a pressão constante da tabela A.6; c) variação da</p><p>energia interna a partir da integral da a equação de calor específico a pressão constante da</p><p>tabela A.6; d) variação da energia interna a partir da tabela de propriedades dos gases, tabela</p><p>A.8.</p><p>2. O conjunto cilindro-pistão apresentado na Figura 1.1 contém, inicialmente, 0,35 m3 de CO2 a</p><p>280 KPa e 100ºC. Os pesos são, então, adicionados a uma velocidade tal que o gás é</p><p>comprimido segundo a relação pV 1,2 = k. Admitindo que a temperatura final seja igual a</p><p>210ºC, determine o trabalho realizado neste processo termodinâmico.</p><p>Figura 1.1. Conjunto cilindro-pistão contendo CO2.</p><p>3. Considere o conjunto cilindro-pistão mostrada na Figura 1.2 com diâmetro de 100 mm. O</p><p>conjunto contém 12 kg de água que, inicialmente, encontra-se no estado saturado em que a</p><p>pressão é 100 kPa e o título é 50%. A água é, então, aquecida até que o volume interno do</p><p>conjunto atinja um valor igual ao triplo do volume interno inicial. A massa do pistão é 160 kg</p><p>e a pressão interna (de equilíbrio) necessária para desencosta-lo do esbarro é Peq. Nestas</p><p>condições, determine Peq, a temperatura e o volume da água no estado final do processo e,</p><p>também, o trabalho realizado pela água. Adote g = 9,807 m/s2 e π = 3,14.</p><p>Figura 1.2. Conjunto cilindro-pistão contendo água.</p><p>4. Um cilindro de aço, com volume de 0,06 m3, contém amônia a –18ºC e título de 25%. O</p><p>cilindro dispõe de uma válvula de segurança que abre quando a pressão interna atinge 1,4</p><p>MPa. Se o cilindro for aquecido acidentalmente, qual será a transferência de calor até o</p><p>instante em que a válvula abre? Qual será a temperatura da amônia neste instante?</p><p>5. O tanque rígido A mostrado na Figura 1.5 apresenta volume igual a 0,7 m3 e contém 2 kg de</p><p>água a 130ºC e o tanque rígido B possui volume igual a 0,5 m3 e contém água a 600 kPa e</p><p>250ºC. Os tanques estão conectados ao conjunto cilindro-pistão como indicado na Figura 1.4.</p><p>O pistão do conjunto inicia seu movimento quando a pressão interna se torna igual a 800 kPa.</p><p>As válvulas são abertas vagarosamente e calor é transferido a água até que se atinja um estado</p><p>uniforme com temperatura igual a 450ºC. Determine o volume ocupado pela água no estado</p><p>final, o trabalho realizado e a transferência de calor no processo termodinâmico.</p><p>Figura 1.4. Sistema constituído pelos tanques A e B conectados a um conjunto cilindro-pistão.</p><p>6. A Figura 1.5 apresenta um conjunto cilindro-pistão com área da seção transversal igual a 0,2</p><p>m2 e altura de 12 m. O pistão, que é muito fino e tem massa desprezível, separa a câmara em</p><p>duas regiões. Inicialmente, a região superior contém água a 30ºC e a inferior contém 0,4 m3</p><p>de ar a 300 K. Transfere-se, então, calor à região inferior de modo que o pistão inicia o</p><p>movimento e provocando, assim, o transbordamento de água. Este processo continua até que</p><p>o pistão alcança o topo do cilindro. Admitindo os valores de 9,807 m/s2 e 101,325 kPa para g</p><p>e p0, respectivamente, determine o calor transferido para o ar no processo.</p><p>Figura 1.5. Conjunto cilindro-pistão divido em duas regiões.</p><p>7. Um conjunto cilindro-pistão com volume interno de 0,1 m3 contém oxigênio a 100ºC e 300</p><p>kPa. O oxigênio é, então, comprimido, em um processo politrópico com expoente n = 1,2, até</p><p>que a temperatura atinja 200ºC. Determine o calor transferido no processo e a pressão final do</p><p>oxigênio. Além disso, verifique e a hipótese de gás perfeito pode ser utilizada.</p><p>8. Um bocal convergente é alimentado com nitrogênio o 200 kPa e 400 K. O escoamento na</p><p>sessão de descarga do bocal apresenta temperatura e pressão iguais a 330 K e 100 kPa.</p><p>Sabendo que a velocidade do nitrogênio na sessão de alimentação do bocal é pequena e que</p><p>o bocal é adiabático, determine a velocidade do escoamento na sessão de descarga do bocal.</p><p>9. Um difusor é alimentado com um escoamento de gás perfeito que apresenta velocidade igual</p><p>a 250 m/s, T = 300 K e P = 100kPa. A velocidade do escoamento na sessão de descarga do</p><p>difusor é 25 m/s. Determine a temperatura do escoamento na sessão de descarga do difusor</p><p>se o gás é Argônio, Hélio e Nitrogênio.</p><p>10. Líquido saturado de R-12 a 25ºCé estrangulado, em regime permanente, até a pressão de</p><p>150,9 kPa no capilar de um refrigerador. Qual é a temperatura na sessão de descarga do</p><p>capilar? Determine o aumento percentual na vazão em volume que ocorre neste escoamento.</p><p>11. A figura abaixo mostra o esquema de uma pequena turbina a vapor d’água que produz uma</p><p>potência de 110kW operando em carga parcial. Nesta condição, a vazão de vapor é 0,25</p><p>kg/s, a pressão e a temperatura na seção 1 são, respectivamente, iguais a 1,4 MPa e 250ºC e</p><p>o vapor é estrangulado até 1,1 MPa antes de entrar na turbina. Sabendo que a pressão de</p><p>saída da turbina é 10kPa, determine o título; ou a temperatura, se o vapor estiver</p><p>superaquecido; da água na seção de saída da turbina.Um compressor é alimentado com ar a</p><p>17ºC e 100 kPa e descarrega o fluido, a um 1MPa e 600 K, num resfriador que opera a</p><p>pressão constante. Sabendo que a temperatura na sessão de saída do resfriador é 300 K,</p><p>determine o trabalho específico no compressor e a transferência específica de calor no</p><p>processo.</p><p>12. Um compressor é alimentado com ar a 17ºC e 100 kPa e descarrega o fluido, a um 1MPa e</p><p>600 K, num resfriador que opera a pressão constante. Sabendo que a temperatura na sessão</p><p>de saída do resfriador é 300 K, determine o trabalho específico no compressor e a</p><p>transferência específica de calor no processo.</p><p>13. A figura abaixo mostra o esquema de um trocador de calor utilizado para resfriar o ar, a</p><p>pressão constante e igual a 1 Mpa, de 800 K a 360 K. A água de resfriamento entra no</p><p>equipamento a15 ºC e 0,1 MPA. Se a água deixa o trocador como vapor saturado, calcule a</p><p>relação entre as vazões de água e ar (magua/mar).</p><p>14. O aquecedor de mistura de uma central térmica é alimentado com 4 kg/s de água a 45ºC e</p><p>100 kPa e com vapor descarregado de uma turbina a 100 kPa e 250ºC. Admitindo que o</p><p>aquecedor descarregue a água como líquido saturado, determine a vazão de vapor</p><p>proveniente da turbina.</p><p>15. A figura abaixo mostra o esquema de um bocal isolado que é alimentado com vapor de</p><p>amônia (T = 20ºC e p = 800 kPa). A velocidade do escoamento na seção de entrada é muito</p><p>baixa. A pressão e a velocidade, na secção de saída, são respectivamente iguais a 300 kPa e</p><p>450 m/s. Sabendo que a vazão em massa no bocal é 0,01 kg/s, calcule a temperatura e o</p><p>título, se aplicável, da amônia na seção de saída do bocal.</p><p>16. A figura abaixo mostra o esquema de um difusor isolado que é alimentado com um</p><p>escoamento de ar que apresenta velocidade de 200 m/s, T = 300 K e p = 100 kPa. As áreas</p><p>transversais de alimentação e descarga são respectivamente iguais a 100 e 860 mm2.</p><p>Sabendo que o ar deixa o difusor com uma velocidade de 20 m/s, determine a pressão e a</p><p>temperatura do ar na secção de descarga do equipamento.</p><p>17. A cogeração é normalmente utilizada em processos industriais que apresentam consumo de</p><p>vapor a várias pressões. Admita que, num processo, existe a necessidade de uma vazão de 5</p><p>kg/s de vapor e 0,5 MPa. Em vez de gerar este insumo, utilizando um processo de bomba-</p><p>caldeira independente, propõe-se a utilização da turbina mostrada na figura abaixo.</p><p>Determine a potência gerada na turbina.</p><p>18. Propõe-se usar um suprimento geotérmico de água quente para acionar uma turbina a vapor</p><p>d’água utilizando o dispositivo apresentado abaixo. Água a alta pressão, 1,5 MPa e 180ºC, é</p><p>estrangulado, num evaporador instantâneo adiabático, de modo a obter líquido e vapor a</p><p>pressão de</p>
<p>400 kPa. O líquido sai pela parte inferior do evaporador, enquanto o vapor é</p><p>retirado para alimentar a turbina. O vapor sai da turbina a 10 kPa e com título igual a 90%.</p><p>Sabendo que a turbina produz uma potência de 1 MW, qual é a vazão necessária de água</p><p>quente, em kg/h, que deve ser fornecida pela fonte geotérmica?</p><p>19. A figura abaixo mostra um tanque, com capacidade de 2 m3, que contém inicialmente, vapor</p><p>d’água saturado a 4 MPa. A válvula é, então, aberta e o vapor escapa. Durante este processo,</p><p>o condensado formado dentro do tanque sempre está em equilíbrio com o vapor</p><p>remanescente. Assim, a água que escapa do tanque sempre está no estado vapor saturado</p><p>seco. Se a pressão na água do tanque for igual a 1 MPa, qual será o valor da massa que</p><p>escapou dele durante o processo? Para a solução inicial recomenda-se considerar que a</p><p>entalpia da água que escapa do tanque está no estado saturado, sendo que a pressão é a</p><p>pressão média da pressão 4MPA e 1MPa. Analise esta hipótese e discuta.</p><p>20. A figura abaixo mostra um tanque rígido com volume de 750 litros que contém inicialmente,</p><p>água saturada a 250ºC. O volume inicial de líquido é 50% do volume total. Uma válvula</p><p>colocada no fundo do tanque é aberta e o liquido saturado é retirado vagarosamente. Durante</p><p>este processo, calor é transferido, de modo que a temperatura interna permanece constante.</p><p>Calcule a quantidade de calor transferido até o instante em que a metade da massa inicial foi</p><p>retirada.</p><p>21. Água escoa para um barril aberto a partir do seu topo com uma vazão mássica constante de</p><p>13,5 kg/s. A água sai por um tubo perto da base com uma vazão mássica proporcional à</p><p>altura do líquido no interior do barril, que é igual a 6,5 L, onde L é a altura instantânea do</p><p>líquido em metros. A área da base é de 0,25 m2 e a massa específica da água é de 980 kg/m3.</p><p>Se o barril se encontra inicialmente vazio, determine a altura mínima que o tanque deve ter</p><p>para que a água não transborde, e faça um gráfico da variação da altura de líquido pelo</p><p>tempo.</p><p>22. Água escoa para um barril aberto a partir do seu topo com uma vazão mássica constante de</p><p>13,5 kg/s, a água sai por um tubo perto da base com diâmetro de 65 mm. A área da base é de</p><p>0,25 m2 e a massa específica da água é de 980 kg/m3. Se o barril está inicialmente vazio</p><p>determine a altura mínima que o tanque deve ter para que a água não transborde,</p><p>considerando que a velocidade é função da altura, utilizar a equação de Bernoulli.</p><p>23. Um tanque, que contém 45 kg de água líquida inicialmente a 45ºC, possui uma entrada e</p><p>uma saída que apresentam um escoamento com a mesma vazão mássica. A água líquida é</p><p>admitida no tanque a 45ºC e a uma vazão mássica de 270 kg/s. Uma serpentina de</p><p>resfriamento imersa na água remove energia numa taxa de 7,6 kW. A água é bem misturada</p><p>por um impelidor de tal modo que sua temperatura é uniforme no interior do tanque. A</p><p>potência de acionamento do impelidor é 0,6 kW. As pressões na entrada e na saída são</p><p>iguais, e os efeitos de energia cinética e potencial podem ser ignorados. Esboce em um</p><p>gráfico a variação da temperatura da água ao longo do tempo, e a temperatura final de</p><p>equilíbrio.</p>