4 Lista de exercícios

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Universidade Federal de Sergipe 
Centro de Ciências Exatas e Tecnologia 
Departamento de Engenharia Mecânica 
 
 
Disciplina: ENMEC0147 - Termodinâmica para Engenharia Mecânica 
4ª Lista de Exercícios 
 
1. Um dispositivo êmbolo-cilindro, inicialmente contém 0,07 m3 de gás nitrogênio a 130 
kPa e 120 °C. O nitrogênio é agora expandida politropicamente para um estado de 100 
kPa e 100 °C. Determinar o trabalho de fronteira feito durante este processo. (Resp.: 
1,86 KJ) 
2. Um dispositivo êmbolo-cilindro, inicialmente contém 0,07 m3 de gás nitrogênio a 130 
kPa e 120 °C. O nitrogênio é agora expandido para uma pressão de 100 kPa 
politropicamente com um expoente politrópico cujo valor é igual à razão entre os 
calores específicos (a chamada de expansão isentrópica). Determinar a temperatura 
final e o trabalho de fronteira feito durante este processo. (Resp.: 364,6 K ; 1,64 KJ) 
3. Um dispositivo êmbolo-cilindro contém inicialmente 200 L de líquido saturado 
refrigerante-134a. O pistão é livre para mover-se, e a sua massa é tal que mantém uma 
pressão de 900 kPa, sobre o fluido refrigerante. O refrigerante é agora aquecido até que 
a sua temperatura sobe para 70 ° C. Calcule o trabalho feito durante este processo. 
(Resp.: 5571 KJ) 
4. Uma massa de 2,4 kg de ar a 150 kPa e 12 °C está contido em um dispositivo êmbolo-
cilindro com gás estanque. O ar agora é comprimido para uma pressão final de 600 kPa. 
Durante o processo, o calor é transferido do ar de tal modo que a temperatura no 
interior do cilindro permanece constante. Calcule o trabalho de entrada durante este 
processo. (Resp.: -272 KJ) 
5. Um gás é comprimido a partir de um volume inicial de 0,42 m3 para um volume final de 
0,12 m3. Durante o processo de quase-equilíbrio, as alterações de pressão, com o 
volume é dada de acordo com o relação P= aV+ b, onde a= - 1200 kPa/m3 e b= 600 kPa. 
Calcule o trabalho realizado durante este processo (a), traçando o processo em um 
diagrama de PV e calculando a área sob a curva de processo e (b) realizando as 
integrações necessárias. (Resp.: -82,8 KJ) 
6. Um dispositivo de êmbolo-cilindro contém 50 kg de água a 250 kPa e 25 ° C. A área da 
secção transversal do êmbolo é 0,1 m2. O calor é transferido para a água, fazendo com 
que parte dela evapore e se expanda. Quando o volume atinge 0,2 m3, o pistão alcança 
uma mola linear, cuja constante de mola é 100 kN/m. Mais calor é transferido para a 
água até que o pistão sobe 20 centímetros. Determine (a) a pressão final e a 
temperatura final e (b), o trabalho realizado durante este processo. Além disso, mostrar 
o processo em um diagrama P-V. (Resp.: a) 450 KPa ; 147,9 °C b) 44,5 KJ 
 
 
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7. Um dispositivo de êmbolo-cilindro contém 0,15 kg de ar inicialmente a 500 kPa e 350 
°C. O ar é comprimido politropicamente com um expoente politrópico de 1,2 para a 
pressão de 2000 kPa. Determinar o trabalho de fronteira para o processo. 
(Resp.: -24,86 KJ) 
8. Um tanque rígido contém 0,5 m3 refrigerante 134a inicialmente a 160 kPa e 40% de 
título. O calor é transferido para o refrigerante até a pressão atingir 700 kPa. Determinar 
(a) a massa do refrigerante no tanque e (b) a quantidade de calor transferido. Além 
disso, mostrar o processo em um diagrama P-v no que diz respeito a linhas de saturação. 
(Resp.: a) 10 kg b) 2707 KJ ) 
9. Um dispositivo êmbolo-cilindro isolado contém 5 L de água no estado de líquido 
saturado a uma pressão constante de 175 kPa. A água é agitada por pás, enquanto uma 
corrente de 8 A flui durante 45 min através de uma resistência colocada na água. Se a 
metade do líquido evapora-se durante este processo a pressão constante o trabalho das 
pás equivale a 400 kJ, determinar a tensão da fonte. Além disso, mostrar o processo em 
um diagrama Pv em relação a linhas de saturação. (Resp.: 224 V) 
10. Um dispositivo de êmbolo-cilindro contém inicialmente 0,8 m3 de vapor saturado d'água 
a 250 kPa. Neste estado, o pistão está repousando sobre um conjunto de batentes, e a 
massa do pistão é tal que uma pressão de 300 kPa, é necessário para o deslocar. O calor 
é agora lentamente transferido para o vapor até que o volume dobre. Mostrar o 
processo em um diagrama Pv com relação as linhas de saturação e determinar (a) a 
temperatura final, (b) o trabalho feito durante este processo, e (c) a transferência de 
calor total. (Resp.: a) 662 °C b) 240 KJ c) 1213 KJ ) 
11. Um radiador elétrico contendo 30 L de óleo de aquecimento é colocado em uma sala de 
50 m3. Tanto a sala quanto o óleo no radiador estão inicialmente a 10 °C. O radiador 
operando a 1,8 kW é agora ligado. Ao mesmo tempo, o calor é perdido da sala a uma 
taxa média de 0,35 kJ/s. Após algum tempo, a temperatura média é medida como sendo 
de 20 °C para o ar da sala, e 50 °C para o óleo no radiador. Considere a densidade e o 
calor específico do óleo como sendo de 950 kg/m3 e 2,2 kJ/kg°C, respectivamente, 
 
 
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determinar quanto tempo o aquecedor é mantido em operação. Suponha que a sala 
está bem fechada, de modo que não há vazamentos de ar. 
(Resp.: 34 min) 
12. Um tanque rígido de 3m3 contém hidrogênio a 250 kPa e 550 K. O gás é agora arrefecido 
até a sua temperatura cair para 350 K. Determine (a) a pressão final no tanque e (b) a 
quantidade de calor transferido. (Resp.: a) 159,1 KPa b) 686,2 KJ ) 
13. Um estudante que vive em um dormitório de 4-m x 6-m x 6-m liga seu ventilador de 150 
W antes de sair em um dia de verão, na esperança de que seu dormitório vai estar mais 
frio, quando voltar à noite. Assumindo que todas as portas e janelas estão bem fechadas 
e desconsiderando qualquer transferência de calor através das paredes e das janelas, 
determinar a temperatura no quarto quando ele voltar 10 h depois. Use valores de calor 
específico à temperatura ambiente, e assuma o quarto a 100 kPa e 15 ° C na parte da 
manhã, quando ele sai. (Resp.: 58,2°C) 
14. Um dispositivo de êmbolo-cilindro isolado contém inicialmente 0,3 m3 de dióxido de 
carbono a 200 kPa e 27 °C. Um interruptor elétrico é ligado, e uma fonte de 110 V 
fornece corrente a um aquecedor de resistência no interior do cilindro, por um período 
de 10 min. A pressão é mantida constante durante o processo, enquanto que o volume 
é dobrado. Determinar a corrente que passa através o aquecedor de resistência.(Resp.: 
4,71 A) 
15. Considere um ferro de 1000 W cuja placa da base de 0,5 cm de espessura é feita de liga 
de alumínio 2024-T6 (densidade = 2770 kg/m3 e cp= 875 J/kg·°C). A placa de base tem 
uma área de superfície de 0,03 m2. Inicialmente, o ferro está em equilíbrio térmico com 
o ambiente ar a 22 ° C. Assumindo que 85% do calor gerado nos fios de resistência é 
transferido para a chapa, determinar o tempo mínimo necessário para que a 
temperatura da placa atinja 140 ° C. (Resp.: 50,5 s ) 
16. Um tanque rígido de 1m3 inicialmente contém ar cuja densidade é 1,18 kg/m3. O tanque 
está ligado a uma linha de alta pressão através de uma válvula. A válvula é aberta, e o 
ar é entra no tanque até que a densidade no tanque se eleva a 7,20 kg/m3. Determinar 
a massa de ar que entrou no tanque. (Resp.: 6,02 Kg ) 
17. Um salão é utilizado para acomodar 15 fumantes. O requisito mínimo para o ar fresco 
nesses tipos de salões é especificado para ser 30 L/s por pessoa (ASHRAE, Padrão 62, 
1989). Determinar taxa de fluxo mínimo requerido para o ar fresco que precisa ser 
fornecido para o salão, e o diâmetro do duto, se a velocidade do ar não é superior a 8 
m/s. (Resp.: 0,45 m³/s ; 0,268 m) 
 
 
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18. Considere um tanque de armazenamento de 300 L de um sistemade aquecimento solar 
de água, inicialmente cheio de água quente a 45 °C. A água quente é retirada do tanque 
por meio de uma mangueira de 2-cm de diâmetro a uma velocidade média de 0,5 m/s, 
enquanto fria água entra no tanque a 20 °C a uma taxa de 5 l/min. Determinar a 
quantidade de água no depósito, após um período de 20 minutos. Assuma que a pressão 
no tanque se mantém constante, a 1 atm. (Resp.: 211,6 kg) 
19. O ar entra num bocal adiabático em estado estacionário a 300 kPa, 200 °C, e 30 m/s, e 
deixa a 100 kPa e 180 m/s. A área de entrada do bocal é de 80 cm2. Determine (a) a taxa 
de fluxo de massa através do bocal, (b) a temperatura de saída do ar, e (c) a área de 
saída do bocal. (Resp.: a) 0,53 Kg/s b) 184,6°C c) 38,7 cm² ) 
 
20. Gás Nitrogênio a 60 kPa e 7 °C entra em um difusor adiabático em estado estacionário 
com uma velocidade de 200 m/s e sai a 85 kPa e 22 ° C. Determinar (a) a velocidade de 
saída do gás e (b) a relação entre a entrada e a saída da área A1/A2. (Resp.: a) 93 km/h 
b) 0,625 ) 
21. Vapor flui em estado estacionário através de uma turbina adiabática. As condições de 
entrada do vapor são de 10 MPa, 450 ° C, e 80 m/s, e as condições de saída são 10 kPa, 
92 por cento de título, e 50 m / s. A vazão mássica de vapor é de 12 kg / s. Determinar 
 
 
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(a) a variação da energia cinética por unidade de massa (b) a potência de saída, e (c) a 
área de entrada da turbina. (Resp.: a) -1,95 KJ/kg b) 10,2 MW c) 44,63 cm² ) 
 
22. O hélio é comprimido de 120 kPa e 310 K a 700 kPa e 430 K. Uma perda de calor de 20 
kJ/kg ocorre durante o processo de compressão. Negligenciar mudanças de energia 
cinética, determinar a entrada de energia necessária para uma taxa de fluxo de massa 
de 90 kg/min. Considere o calor específico à pressão constante igual a 5,1926 KJ/Kg.K 
para o Hélio. (Resp.: 964,7 KW) 
 
23. Gás argônio entra em uma turbina adiabática em estado estacionário a 900 kPa e 450 
°C com uma velocidade de 80 m/s, e deixa a 150 kPa com uma velocidade de 150 m/s. 
 
 
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A área de entrada da turbina é de 60 cm2. Se a potência da turbina é de 250 kW, 
determinar a temperatura de saída do argônio. Considere o calor específico do argônio 
como sendo 0,5203 KJ/kg. K. (Resp.: 267,3 °C) 
24. Refrigerante-134a é estrangulado a partir do estado de líquido saturado a 700 kPa a uma 
pressão de 160 kPa. Determinar a queda de temperatura durante este processo e o 
volume específico final do refrigerante. (Resp.: -42,3 °C; 0,0344 m³/Kg) 
 
25. Um fluxo de água quente a 80 °C entra numa câmara de mistura com uma taxa de fluxo 
de massa de 0,5 kg/s, onde é misturado com um corrente de água fria a 20 °C. Se é 
desejado que a mistura deixa a câmara a 42 °C, determinar a taxa de fluxo de massa do 
fluxo de água fria. Assuma todos os fluxos estão a uma pressão de 250 kPa. (Resp.: 0,865 
kg/s) 
 
26. Refrigerante-134a a 1 MPa e 90 °C, deve ser arrefecido a 1 MPa e 30 °C num 
condensador de ar. O ar entra a 100 kPa e 27 ° C, com uma vazão volumétrica de 600 
m3/min e deixa a 95 kPa e 60 ° C. Determine a taxa de fluxo de massa do refrigerante. 
(Resp.: 100Kg/min) 
 
 
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27. Vapor é para ser condensado no condensador numa planta de vapor, a uma 
temperatura de 50 ° C, com água de refrigeração a partir das proximidades de um lago, 
que entra nos tubos do condensador a 18 °C a uma taxa de 101 kg/s e sai a 27 ° C. 
Determinar a taxa de condensação de vapor no condensador. (Resp.: 1,6 Kg/s) 
 
28. Ar (cp= 1.005 kJ/kg·°C) será pré-aquecido por gases quentes de escape no permutador 
de calor de fluxo cruzado, antes da sua entrada no forno. O ar entra no permutador de 
calor a 95 kPa e 20 °C a uma taxa de 0,8 m3/s. Os gases de combustão (cp= 1,10 kJ/kg·°C) 
entra a 180 ° C a uma taxa de 1,1 kg/s e deixa a 95 ° C. Determinar a taxa de transferência 
de calor para o ar e a temperatura de saída. (Resp.: 102,85 KW; 133,2°C) 
 
 
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29. Uma caixa de eletrônicos selada deve ser resfriada por água da torneira que flui através 
dos canais em dois dos seus lados. É especificado que o aumento da temperatura da 
água não exceda 4 ° C. A dissipação de energia da caixa é de 2 kW, o que é removido 
inteiramente pela água. Se a caixa funciona 24 horas por dia, 365 dias um ano, 
determinar a taxa de fluxo de massa de água que flui através da caixa e a quantidade de 
água de refrigeração utilizada por ano. Considere o calor específico da água como sendo 
4,18 kJ/kg·°C. (Resp.: 0,1196 Kg/s ; 3772 toneladas) 
30. Uma casa tem 5-m x 6-m x 8-m e é para ser aquecida por um aquecedor de resistência 
elétrica colocada num duto na sala. Inicialmente, o quarto está a 15 ° C, e a pressão 
atmosférica local é de 98 kPa. O quarto está perdendo calor constantemente para o 
exterior a uma taxa de 200 kJ/min. Uma ventoinha de 200 W circula o ar continuamente 
através do duto e do aquecedor elétrico, a uma taxa de fluxo de massa médio de 50 
kg/min. O duto pode ser assumido como sendo adiabático, e não há nenhuma fuga de 
ar dentro ou fora da sala. Em 15 min o ar do quarto deve alcançar a uma temperatura 
média de 25 ° C determine (a) a potência do aquecedor elétrico e (b) o aumento da 
temperatura que o ar experimenta cada vez que passa através do aquecedor. (Resp.: a) 
5,4 KW b) 6,7 °C ) 
31. Vapor d’água a 40 oC se condensa no exterior de um tubo de cobre horizontal fino com 
5 m de comprimento de 3 cm de diâmetro, por água de resfriamento que entra no tubo 
a 25oC com velocidade média de 2m/s e sai a 35oC. Determine a taxa de condensação 
do vapor. (Resp.: 0,0245 kg/s) 
 
 
 
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32. Um compressor de ar adiabático é para ser alimentado por uma turbina a vapor 
adiabática com acoplamento direto que também está conectada a um gerador. O vapor 
entra na turbina de 12,5 MPa e 500 °C a uma taxa de25 kg/s e a saída está a 10 kPa, e 
um título de 0,92. Ar entra no compressor de 98 kPa e 295 K, a uma taxa de 10 kg/s e 
sai a 1 MPa e 620 K. Determine a potência líquida entregue ao gerador da turbina. 
(Resp.: 20,4 MW) 
 
 
33. A bomba de um sistema de distribuição de água é acionada por um motor elétrico de 
15 KW cuja eficiência é de 90%. A vazão de água na bomba é 50 l/s. Os diâmetros dos 
tubos de entrada e saída são iguais, e a diferença de altura através da bomba é 
desprezível. Se as pressões de entrada e saída da bomba forem medidas como 100 KPa 
e 300 KPa (absoluta), respectivamente, determine: a) a eficiência mecânica da 
bomba e b) o aumento da temperatura da água à medida que ela escoa através da 
bomba devido à ineficiência mecânica. Considere o calor específico da água como sendo 
4,18 KJ/kg. °C e sua densidade como 1000 Kg/m³. (Resp.: a) 74,1% b)0,017 °C ) 
 
 
 
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34. O dióxido de carbono (CO2) modelado como um gás ideal flui através do permutador de 
calor e do compressor mostrado na figura abaixo. A entrada de energia para o 
compressor é de 100 kW. O fluxo de água de refrigeração líquida flui separado através 
do trocador de calor. Todos os dados são para a operação em estado estacionário. 
Transferência de calor com o ambiente pode ser negligenciada, como todas as 
mudanças de energia cinética e potencial. Determine (a) a taxa de fluxo de massa de 
CO2, em kg/s, e (b) a taxa de fluxode massa da água de refrigeração, em kg/s. (Resp.: a) 
0,49 Kg/s b) 1,69 Kg/s) 
 
 
 
 
 
 
 
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35. Em um turbocompressor , gases de exautão entram na turbina a 400 ° C 
e 120 kPa, a uma taxa de 0,02 kg / s e saem a 350 ° C . Ar entra no compressor a 50 ° C 
e 100 kPa e deixa a 130 kPa, a uma taxa de 0,018 kg / s . O compressor de ar aumenta a 
pressão com um efeito colateral : ele também aumenta a temperatura do ar , o que 
aumenta a possibilidade de um motor a gasolina 
experimentar uma detonação no motor (batida do motor) Para evitar isso, um pós-
resfriador é colocado após o compressor para resfriar o ar quente pelo frio ar ambiente 
antes de entrar nos cilindros do motor . É estimado que o pós-resfriador deve diminuir 
a temperatura do ar abaixo de 80 ° C, para evitar a batida do motor. O ar ambiente frio 
entra no pós-resfriador a 30 ° C e sai a 40 ° C . Desconsiderando quaisquer perdas por 
atrito na turbina e no compressor e tratando os gases de exaustão como ar , determinar 
: a) a temperatura do ar na saída do compressor e ( b ) a vazão volumétrica mínima de 
ar ambiente necessária para evitar a batida do motor. 
Considere a eficiência mecânica entre a turbina e o compressor como sendo 100%, e a 
pressão atmosférica local como sendo 100 KPa. 
(Resp.: a) 108,6 °C b) 44,9 L/s )