Lista 06 Entropia e Segunda lei da Termodinâmica Aplicada a Volume de Controle

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Centro Universitário de Belo Horizonte 
 
INSTITUTO DE ENGENHARIA E TENOLOGIA – IET 
Curso: 
 Engenharia Mecânica/Engenharia Química 
 
Disciplina: Termodinâmica Clássica 
 
Professor: Rabigdonataro Rodrigues Costa Lista de Exercícios 06 
 
Aluno: Assunto: Entropia e Segunda Lei da Termodinâmica 
Aplicada a volume de Controle 
 
1) Um arranjo cilindro-pistão isolado contém 5 L de 
água líquida saturada a uma pressão constante de 
150 kPa. Um aquecedor a resistência elétrica 
dentro do cilindro é ligado, e 2200 kJ de energia 
são transferidos para o vapor de água. Determine a 
variação de entropia durante esse processo. 
R = 5,71 kJ/kg K 
 
2) A figura mostra um conjunto cilindro-pistão 
isolado termicamente, que contém amônia. 
Inicialmente, o volume da câmara é 200 L a 
temperatura e o título são iguais a 5°C e 92,9%. O 
módulo da força externa q atua sobre o pistão é 
aumentado vagarosamente e o pistão comprime 
amônia até que a temperatura atinja 50°C. Qual o 
trabalho realizado sobre a amônia neste processo? 
R = - 107,50 kJ 
 
 
3) A figura mostra um conjunto cilindro-pistão com 
uma membrana que separa o volume interno em 
duas regiões. Uma das regiões contém 1 kg de água 
a 20°C e 0,5 MPa e a outra contém 1 kg de água a 
100°C e 0,5 MPa. A membrana é rompida e a água 
atinge um estado uniforme num processo isobárico 
e adiabático. Determine a temperatura final da 
água e a geração de entropia nesse processo. 
R = 60,08°C e 0,06 kJ/K 
 
 
4) A figura mostra um conjunto cilindro pistão que 
contém amônia e está localizado num ambiente 
que apresenta temperatura constante e igual a 
 
20°C. Incialmente, o volume interno do conjunto, a 
pressão e a temperatura da amônia são iguais a 
0,1 m³ , 2,0 MPa e 80°C. A amônia passa a 
transferir calor para o ambiente e atinge o 
equilíbrio térmico. Nesse estado, o título da 
amônia é igual a 0,1 . Determine o trabalho 
realizado, a transferência de calor e a geração total 
de entropia deste processo. 
R = - 112,87 kJ, - 1479,04 kJ e 0,2941 kJ/K 
 
 
5) A figura mostra um esboço de um conjunto 
cilindro-pistão que contém 0,5 kg de amônia. O 
conjunto cilindro-pistão é fabricado com aço e 
apresenta massa igual a 1 kg. Inicialmente o 
conjunto e amônia apresentam temperatura 
uniforme e iguala 120°C e a pressão na câmara é 
1,6 MPa. O volume da câmara quando o pistão está 
encostado no esbarro é 0,02 m³. O conjunto e a 
amônia são então resfriados, utilizando-se um 
reservatório térmico a 20°C, até que a temperatura 
atinja 30°C. Considerando a temperatura do 
conjunto sempre uniforme e igual a temperatura 
da amônia ao longo do processo, determine o 
trabalho realizado, a transferência de calor e a 
geração global de entropia nesse processo. 
R = -58,144 kJ, - 519,6565 kJ, 0,02186 kJ/k 
 
 
6) Um conjunto cilindro-pistão não isolado 
termicamente contém ar a 500 kPa e 200°C. 
Incialmente o volume interno do conjunto é 10 L. 
 
A força externa que atua sobre o pistão é, então, 
variada de tal modo que o ar expande até 150 kPa. 
Neste estado, o volume interno do conjunto é igual 
a 25 L. Alega-se que o trabalho produzido pelo ar 
neste processo é igual a 70% do trabalho que seria 
realizado num processo adiabático e reversível do 
estado inicial fornecido para o ar até a pressão do 
estado final da expansão de 150 kPa. Admita que a 
temperatura do ambiente onde está localizado o 
conjunto seja igual a 20°C e determine o trabalho 
realizado pelo ar nesse processo descrito. 
R = - 8,73 kJ 
 
7) Um conjunto cilindro-pistão contém 2 kg de 
água a 20°C e 100 kPa. A água é, então, aquecida 
até 300°C a partir da transferência de calor de um 
reservatório a 500°C. Sabendo que a pressão 
necessária para que o pistão inicie seu movimento 
é 1000 kPa, determine o volume final, o trabalho 
realizado, o calor transferido e a geração de 
entropia nesse processo. 
R = 0,51588 m³; 513,876 kJ; 5932,416 kJ e 
5,97 kJ/K 
 
8) Um conjunto cilindro formado por cilindro, 
pistão e mola linear, que contém ar e apresenta 
área da seção transversal do cilindro, igual a 0,1 
m². A constante da mola do conjunto é 100 kN/m. 
Incialmente, o volume interno do conjunto é 20 L, a 
pressão no ar é 200 kPa e a temperatura igual a 
temperatura do ambiente que é 10°C. O conjunto 
conta com esbarros e, assim, o volume interno 
máximo do conjunto é 50 L. Uma ramificação com 
válvula de controle conecta o conjunto a uma linha 
de ar que escoa a 800 kPa e 50°C. A válvula é então 
aberta e permanece nessa posição até que a 
pressão no ar atinja 800 kPa. Nessa condição, a 
válvula é fechada e a temperatura do ar contido no 
cilindro é 80°C. 
a) O pistão está encostado nos esbarros no estado 
final? Prove. R = sim. 
b) Considerando o interior do conjunto como um 
volume de controle, determine a transferência de 
calor no processo. R = - 11,63 kJ 
c) Determine a variação líquida de entropia nesse 
processo. R = 0,063 KJ/K 
 
9) Vapor de água a 6 MPa e 500°C entra em uma 
turbina adiabática de dois estágios a uma vazão de 
15 kg/s. Extrai-se então 10% do vapor ao final do 1° 
estágio a uma pressão de 1,2 MPa para outra 
finalidade. O vapor restante é expandido ainda 
mais no segundo estágio e deixa a turbina a 20 kPa. 
a) Determine a potência produzida pela turbina, 
considerando processo reversível. 
R = 16 522,58 kW 
b) Determine também a potência coma turbina 
com 88% de eficiência isentrópica. 
R = 14 539,87 kW 
 
 
10) Um compressor de ar adiabático deve ser 
adicionado por uma turbina a vapor a vapor 
adiabática com aquecimento direto. Além do 
compressor a turbina faz funcionar um gerador. 
Vapor de água entra na turbina a 12,5 MPa e 500°C 
e uma vazão de 25 kg/s saindo a 10 kPa com um 
título de 0,92. No compressor, o ar entra a 98 kPa e 
295 K a uma vazão de 10 kg/s, saindo a 1 MPa e 
620 K. Determine a potência líquida fornecida ao 
gerador pela turbina e a taxa de geração de 
entropia dentro da turbina e do compressor 
durante esse processo. 
R = 20 367,79 kW e 87,91 kW/K 
 
 
11) No tubos de um bem isolado trocador de calor 
( do tipo casco e tubos), água (cP = 4,18 kJ/kg°C) 
deve ser aquecida de 20°C a 70°C a uma vazão de 
4,5 kg/s. O calor fornecido por óleo quente (cP = 
2,30 kJ/kg°C), que entra no lado do casco a 170°C e 
a uma vazão de 10 kg/s. Desprezando as perdas de 
calor do trocador de calor, determine a 
temperatura de saída do óleo e a taxa de geração 
de entropia no trocador de calor. 
R =219,10°C e 0,732 kW/K