Lista-de-Exercícios-03_MEC071_2024-3

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MEC071 – TERMODINÂMICA APLICADA PARA ENGENHARIA 
Lista de Exercícios 03 
1. Um motor de combustão interna de quatro tempos e quatro cilindros opera a 2600 rpm. Os 
processos dentro de cada cilindro são modelados como um ciclo de ar-padrão Otto com uma 
pressão de 14,7 lbf/in2 (101,3 kPa), uma temperatura de 77°F (25°C), e um volume de 0,0196 ft3 
(0,00006 m3) no início da compressão. A taxa de compressão é 12, e a pressão máxima no ciclo é 
de 1080 lbf/in2 (7446,3 kPa). Determine, usando uma análise de ar-padrão frio com k = 1,4, a 
potência desenvolvida pelo motor, em HP, e a pressão média efetiva, em lbf/in2. 
 
2. O diagrama pressão-volume específico de um ciclo de ar-padrão Lenoir é mostrado na Figura 
abaixo. O ciclo consiste em uma adição de calor a volume constante, uma expansão isentrópica e 
uma compressão a pressão constante. Para o ciclo, p1 = 14,7 lbf/in2 e T1 = 540°R (26,8°C). A 
massa de ar é de 4,24 × 10–3 lb (1,9 × 10–3 kg), e a temperatura máxima do ciclo é de 1600ºR 
(615,7°C). Supondo cν = 0,171 Btu/lb∙ºR (0,72 kJ/kg∙K), determine para o ciclo. a) O trabalho 
líquido, em Btu. b) A eficiência térmica. 
 
 
3. O volume de deslocamento de um motor de combustão interno é 3 litros. Os processos no interior 
de cada cilindro do motor são modelados como em um ciclo de ar-padrão Diesel com uma razão 
de corte de 2,8. O estado do ar no início da compressão encontra-se fixado em p1 = 95 kPa, T1 = 
22°C e V1 = 3,17 litros. Determine o trabalho líquido por ciclo, em kJ, a potência desenvolvida 
pelo motor, em kW, e a eficiência térmica se o ciclo for efetuado 1600 vezes por minuto. 
4. Um ciclo dual ar-padrão tem uma razão de compressão 10. No início da compressão, p1= 100 kPa, 
T1= 300 K e V1 = 14 L. A energia total adicionada ao ciclo sob a forma de calor é 22,7 kJ. Elabore 
um gráfico das temperaturas ao final de cada processo de adição de calor, em K, do trabalho 
líquido por unidade de massa de ar, em kJ/kg, da eficiência térmica e da pressão média efetiva, em 
kPa, cada uma em função da razão do calor adicionado sob volume constante sobre o calor total 
adicionado, variando de 0 a 1. 
 
5. A Figura ilustra uma instalação de potência com uma turbina a gás que usa energia solar como 
fonte de adição de calor. Os dados operacionais são mostrados na figura. Modelando o ciclo como 
um ciclo Brayton, e supondo que não há perda de carga no trocador de calor ou na tubulação de 
interconexão, determine. a) A eficiência térmica. b) A vazão mássica de ar, em kg/s, para uma 
potência líquida de saída de 500 kW. 
 
6. Um compressor de ar de dois estágios opera sob regime permanente, comprimindo 10 m3/min de 
ar a 100 kPa, 300 K até 1200 kPa. Um inter-resfriador entre os dois estágios resfria o ar sob 
pressão constante a 300 K. Cada estágio do compressor tem a mesma eficiência isentrópica. Para 
valores de pressão entre 100 e 1200 kPa e eficiências de 100%, 80% e 60%, elabore gráficos, em 
kW, das seguintes quantidades: 
a) Potência necessária em cada estágio. 
b) Taxa de transferência de calor do inter-resfriador. 
c) Diminuição da potência de entrada comparativamente a um sistema com um estágio de 
compressão (sem inter-resfriador) tendo a mesma eficiência isentrópica de cada um dos 
estágios. 
7. Ar a 26 kPa, 230 K e 220 m/s entra no motor de um turbojato em voo. A vazão mássica de ar é 25 
kg/s. A razão de pressão ao longo do compressor é 11, a temperatura na entrada da turbina é 
1400K e a pressão de saída no bocal é 26 kPa. Os processos no difusor e no bocal são isentrópicos, 
as eficiências isentrópicas do compressor e da turbina valem, respectivamente, 85% e 90% e não 
há perda de carga no escoamento ao longo do combustor. Os efeitos de energia cinética são 
desprezíveis, exceto na entrada do difusor e na saída do bocal. Tomando como base uma análise de 
ar-padrão, determine: 
a) As pressões e temperaturas em cada estado principal, em kPa e K, respectivamente. 
b) A taxa de adição de calor para o ar que passa através do combustor, em kJ/s. 
c) A velocidade na saída do bocal, em m/s. 
8. Um ciclo de refrigeração por compressão de vapor opera em regime permanente com Refrigerante 
134a como fluido de trabalho. Vapor saturado entra no compressor a 2 bar e líquido saturado sai 
do condensador a 8 bar. A eficiência isentrópica do compressor é de 80%. A vazão mássica do 
refrigerante é 7 kg/min. Determine 
a) A potência de acionamento do compressor, em kW. 
b) A capacidade frigorífica, em TR. 
c) O coeficiente de desempenho. 
9. Um ar-condicionado de janela fornece 19 m3/min de ar a 15°C e 1 bar para um quarto. O ar vindo 
do quarto para o evaporador da unidade retorna a 22°C. O ar-condicionado opera em regime 
permanente em um ciclo de refrigeração por compressão de vapor com Refrigerante 22, que entra 
no compressor a 4 bar e 10°C. O refrigerante deixa o condensador como líquido saturado a 9 bar. 
O compressor tem uma eficiência isentrópica de 70%, e o refrigerante sai do compressor a 9 bar. 
Determine a potência do compressor, em kW, a capacidade frigorífica, em TR, e o coeficiente de 
desempenho. 
10. Água líquida entra em uma torre de resfriamento que opera em regime permanente a 40°C com 
uma vazão mássica de 105kg/h. Água resfriada a 25°C sai da torre de resfriamento com a mesma 
vazão mássica. Água de reposição é fornecida a 23°C. Ar atmosférico entra na torre à 30°C, 1 bar 
(105 Pa) e 35% de umidade relativa. Um fluxo de ar úmido saturado sai a 34°C, e 1 bar (105 Pa). 
Determine: 
a) As vazões mássicas do ar seco e da água de reposição, cada qual em kg/h. 
b) A taxa de destruição de exergia na torre de resfriamento, em kW, para T0 = 23ºC. 
Despreze os efeitos das energias cinética e potencial.