Exercícios de Termodinâmica

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<p>2ª LISTA DE EXERCÍCIOS</p><p>(1ª Lei da Termodinâmica aplicada a volume de controle)</p><p>Questões retiradas do livro:</p><p>Fundamentos da termodinâmica [livro eletrônico] / Claus Borgnakke, Richard E.</p><p>Sonntag; coordenação e tradução de Roberto de Aguiar Peixoto. – São Paulo: Blucher,</p><p>2018. (Série Van Wylen)</p><p>01. Um difusor recebe 0,1 kg/s de vapor d’água a 500 kPa e 350 °C. A saída é feita a 1</p><p>MPa e 400 °C, com uma energia cinética desprezível em um processo adiabático.</p><p>Determine a velocidade e a área de entrada.</p><p>02. Um motor a jato escoa ar a 1 000 K, 200 kPa a 30 m/s que entra no bocal onde o ar é</p><p>descarregado a 850 K e 90 kPa. Qual é a velocidade na seção de descarga, admitindo-se</p><p>que não haja perda de calor?</p><p>03. O bocal de propulsão de um motor a jato é ali-mentado com ar a 1 000 K, 200 kPa e</p><p>40 m/s. O ar deixa o bocal a 500 m/s e 90 kPa. Qual é a temperatura de saída,</p><p>considerando-se que não haja perda de calor.</p><p>04. Vapor de amônia superaquecida entra em um bocal isolado a 30 °C e 1 000 kPa, com</p><p>uma baixa velocidade e vazão mássica de 0,01 kg/s. A amônia deixa o bocal a 300 kPa,</p><p>com uma velocidade de 450 m/s. Determine a tempe-ratura (ou título, se saturado) e a</p><p>área da seção de saída do bocal.</p><p>UNIVERSIDADE FEDERAL DO PIAUÍ</p><p>CENTRO DE TECNOLOGIA</p><p>CURSO: Engenharia de Produção</p><p>DISCIPLINA: Fundamentos Termodinâmicos</p><p>PROFESSORA: Maria do Socorro Ferreira dos Santos</p><p>05. A parte frontal de uma turbina de avião atua como um difusor, recebendo ar a 900</p><p>km/h, –5 °C e 50 kPa, e trazendo para 80 m/s antes de entrar no compressor. Se a área da</p><p>seção de alimentação do compressor aumenta para 120% da área da seção de alimentação</p><p>do difusor, determine a temperatura e a pres-são na alimentação do compressor.</p><p>06. O R-410a, a −5 °C, 700 kPa, é estrangulado, chegando a –40 °C. Qual é a pressão P</p><p>de saída?</p><p>07. O líquido saturado de R-134a, a 25 °C, é es-trangulado para 300 kPa, em um</p><p>refrigerador. Qual a temperatura de saída? Determine o aumento percentual da vazão</p><p>volumétrica.</p><p>08. Água líquida a 180 °C e 2 000 kPa é estran-gulada e injetada na câmara de um</p><p>evapora-dor instantâneo (flash) a 500 kPa. Despreze qualquer variação na energia</p><p>cinética. Qual são as frações mássicas de líquido e de vapor na câmara?</p><p>09. O ar a 20 m/s, 1500 K, 875 kPa com 5 kg/s, flui para uma turbina, e sai com um fluxo</p><p>de 25 m/s, 850 K, 105 kPa. Determine a potência gerada usando os calores específicos</p><p>constantes.</p><p>10. Uma turbina eólica com um rotor de diâme-tro igual a 20 m e transforma 40% da</p><p>energia cinética do vento em trabalho no eixo, em um dia com a temperatura de 20 °C e</p><p>vento de 35 km/h. Qual é a potência produzida?</p><p>11. Uma turbina hidráulica é alimentada com 2 kg/s de água a 2 000 kPa e 20 °C com</p><p>uma velocidade de 15 m/s. A saída está a 100 kPa e 20 °C e uma velocidade bem baixa.</p><p>Determine o trabalho específico e a po-tência gerada pela turbina.</p><p>12. Uma turbina pequena e de alta velocidade é alimentada com ar comprimido e produz</p><p>uma potência de 100 W. O estado na seção de entrada é 400 kPa e 50 °C, e o estado na</p><p>seção de saída é 150 kPa e –30 °C. Admitin-do que as velocidades sejam baixas e o</p><p>processo adiabático, determine a vazão mássica na turbina.</p><p>13. A Figura abaixo mostra o esquema de uma pequena turbina operando em carga</p><p>parcial, chegando à válvula uma vazão de 0,25 kg/s de vapor d’água a 1,4 MPa e 250 °C</p><p>que é estrangulada para 1,1 MPa antes de entrar na turbina e deixar a 10 kPa. Se a turbina</p><p>produz 110 kW, determine a temperatura de exaustão (e título se saturada).</p><p>14. O compressor de um refrigerador comercial é alimentado com R-410a, a –25 °C e x</p><p>= 1. O fluido é descarregado do compressor a 1 000 kPa e 40 °C. Desprezando a energia</p><p>cinética, determine o trabalho específico.</p><p>15. Um compressor altera o estado do nitrogê-nio de 100 kPa a 290 K para 2 000 kPa.</p><p>No processo há um entrada de trabalho espe-cífico no total de 450 kJ/kg e a temperatura</p><p>de saída é de 450 K. Determine o calor específico transferido usando calores específicos</p><p>constantes.</p><p>16. Um refrigerador usa o refrigerante na-tural dióxido de carbono que o compressor</p><p>eleva 0,02 kg/s de 1 MPa a –20 °C para 6 MPa usando 2 kW de potência. Determine a</p><p>temperatura de saída do compressor.</p><p>17. O compressor de uma turbina a gás de grande porte recebe ar do ambiente a uma</p><p>velocidade baixa e a 95 kPa e 20 °C. Na saída do compressor, o ar está a 1,52 MPa e 430</p><p>°C e a velocidade é de 90 m/s. A potência de acionamento do compressor é de 5 000 kW.</p><p>Determine a vazão mássica de ar que escoa na unidade.</p><p>18. O dióxido de carbono, operando em regime permanente, esquenta em fluxo regular,</p><p>entrando a 300 kPa e 300 K e saindo a 275 kPa e 1 500 K, como mostrado na Figura</p><p>abaixo. Despreze as variações de energia cinética e potencial. Calcule a transferência de</p><p>calor necessária por quilograma de dióxido de carbono que escoa no aquecedor.</p><p>19. Uma caldeira é alimentada com 0,008 kg/s de nitrogênio líquido saturado a 600 kPa</p><p>e o descarrega como vapor saturado (veja Figura abaixo). O nitrogênio, então, alimenta</p><p>um superaquecedor também a 600 kPa, e sai a 600 kPa e 280 K. Determine as taxas de</p><p>transferência de calor na caldeira e no superaquecedor.</p><p>20. Uma pequena bomba hidráulica é utilizada em um sistema de irrigação. Ela transfere</p><p>5 kg/s de água a 10 °C e 100 kPa de um rio para um canal aberto, 20 m acima do nível do</p><p>rio e da bomba. Considere que o processo seja adiabático e que a temperatura da água</p><p>permaneça em 10 °C. Determine a potência necessária para o bombeamento.</p><p>21. Água a 15 °C escoa em um riacho que de-semboca em uma cachoeira com 50 m de</p><p>altura. Estime a temperatura da água no pé da cachoeira, quando é desprezada a velo-</p><p>cidade horizontal à montante e à jusante da cachoeira? Qual é a velocidade da água an-</p><p>tes de bater no pé da cachoeira?</p><p>22. Uma turbina a vapor d’água adiabática de uma planta de potência recebe 5 kg/s de</p><p>va-por a 3 000 kPa e 500 °C. Vinte por cento do fluxo é extraído a 1 000 kPa a 350 °C</p><p>para um aquecedor de água de alimentação, e o fluxo restante sai a 200 kPa e 200 °C (veja</p><p>Figura abaixo). Determine a potência da turbina.</p><p>23. Um compressor recebe 0,05 kg/s de R-410a, a 200 kPa e –20 °C, e 0,1 kg/s de R-</p><p>410a, a 400 kPa e 0 °C. A corrente de saída está a 1 000 kPa e 60 °C, como mostra a</p><p>Figura abaixo. Admita que o processo seja adiabáti-co, despreze a energia cinética e</p><p>determine a potência fornecida.</p><p>24. Uma turbina recebe vapor de duas cal-deiras (veja Figura P4.87). Um fluxo é de 5</p><p>kg/s, a 3 MPa e 700 °C, e o outro o fluxo é de 10 kg/s, a 800 kPa e 500 °C. O estado de</p><p>saída é 10 kPa, com título de 96%. Determine a potência considerando que a turbina seja</p><p>adiabática.</p><p>25. A Figura abaixo mostra o esboço de um con-densador (trocador de calor) que é</p><p>alimen-tado com 1 kg/s de água, a 10 kPa e título de 95%, e descarrega líquido saturado</p><p>a 10 kPa. O fluido de resfriamento é a água cap-tada de um lago a 20 °C e devolvida a 30</p><p>°C. Sabendo que a superfície externa do con-densador é isolada, calcule a vazão da água</p><p>de resfriamento</p><p>26. Um trocador de calor é alimentado por 5 kg/s de água a 40 °C, 150 kPa e deixa a 10</p><p>°C e 150 kPa. O outro fluido é glicol que entra a –10 °C, 160 kPa e é descarregado a 10</p><p>°C e 160 kPa. Determine a vazão mássica necessária do glicol e a troca interna de calor.</p><p>27. O ar e a água em um trocador contracorrente tem as seguintes características: o ar</p><p>entra com 2 kg/s a 125 kPa e 1 000 K, sain-do a 100 kPa e 400 K. Na outra linha, escoa</p><p>a água com 0,5 kg/s entrando a 200 kPa e 20 °C e saindo a 200 kPa. Qual é a tempera-</p><p>tura de saída da água?</p><p>28. O resfriador (cooler) de uma unidade de ar-condicionado é alimentado com 0,5 kg/s</p><p>de ar a 35 °C e 101 kPa e descarrega o ar a 5 °C e 101 kPa. O ar resfriado é, então,</p><p>misturado com 0,25 kg/s de</p><p>ar a 20 °C e 101 kPa, e a mistura é encaminhada para um</p><p>duto. Determine a taxa de transferência de calor no trocador e a temperatura da corrente</p><p>no duto.</p><p>Processos Transientes</p><p>29. Um tanque com volume de 1 m3 contém amônia a 150 kPa e 25 °C. O tanque está</p><p>ligado a uma linha em que escoa amônia a 1 200 kPa e 60 °C. A válvula é aberta e a</p><p>amônia escoa para o tanque, até que meta-de do volume do tanque esteja ocupada por</p><p>líquido a 25 °C. Calcule o calor transferido do tanque, nesse processo.</p><p>30. Deseja-se preencher um tanque de 2,5 L, inicialmente vazio, com 10 g de amônia. A</p><p>amônia vem de uma linha de vapor satura-do a 25 °C. Para atingir a massa desejada, o</p><p>tanque é resfriado à medida que a amô-nia escoa lentamente para o seu interior. Mantém-</p><p>se a temperatura do tanque e de seu conteúdo a 30 °C durante o processo. Determine a</p><p>pressão quando se deve fechar a válvula, e calcule a quanti-dade total de calor transferido.</p><p>31. Um tanque de 150 L, inicialmente evacua-do, é conectado por meio de uma válvula</p><p>8 MPa. Quando essa válvula é aberta, ar es-coa para o interior do tanque. A válvula é</p><p>fechada quando a pressão interna atinge 6 MPa. Esse preenchimento é muito rápido e é</p><p>essencialmente adiabático. O tanque é deixado em repouso para resfriar natural-mente até</p><p>25 °C. Determine a pressão final no tanque.</p><p>32. Um tanque isolado de 2 m3 é enchido com R-134a por meio de uma linha em que o</p><p>re-frigerante está a 3 MPa e 90 °C. O tanque está inicialmente em vácuo, e a válvula é</p><p>fechada quando a pressão interna do tan-que atinge 3 MPa. Determine a massa que flui</p><p>para o tanque e sua temperatura final.</p><p>33. A Figura abaixo mostra o esquema de uma turbina que é alimentada por uma linha</p><p>de nitrogênio a 0,5 MPa e 300 K. A descarga da turbina está ligada a um tanque com vo-</p><p>lume de 50 m3, inicialmente vazio. A operação da turbina termina quando a pressão no</p><p>tanque atinge 0,5 MPa. Nessa condição, a temperatura no tanque é 250 K. Admitin-do</p><p>que todo o processo seja adiabático, determine o trabalho realizado pela turbina.</p><p>34. Um tanque rígido de 1 m3 contém 100 kg de R-134a, a temperatura ambiente de 15</p><p>°C. É aberta uma válvula no topo do tan-que, e o vapor saturado sofre uma redução de</p><p>pressão, sendo liberado para um siste-ma coletor a 100 kPa. Durante o processo, a</p><p>temperatura dentro do tanque permane-ce a 15 °C. A válvula é fechada quando não há</p><p>mais líquido dentro do tanque. Calcule o calor transferido para o tanque.</p>