Gabarito Prova termodinâmica básica UNIP

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Instituto de Ciências Exatas e Tecnológicas 
Campus – Campinas 
SUB – Termodinâmica Básica 
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Curso: Turma: 
RA: Data: 
 
Instruções 
 Leia as questões antes de respondê-las. A interpretação da questão faz parte da avaliação. 
 É permitido o uso de lápis, borracha, caneta. 
 Não é permitido o uso de calculadora ou material adicional, bem como o empréstimo de 
material do colega. 
 Todo o material restante deve ser colocado sobre o tablado na frente da sala. Qualquer 
material solto sob as carteiras será considerado irregular e a prova retirada. 
 As respostas dos exercícios devem ser com tinta azul ou preta (prova com resposta a lápis 
será corrigida normalmente, mas não dará direito à arguição quanto à correção). 
 Desligue o celular e observe o tempo disponível para resolução. 
 Tempo de prova: 180 minutos (tempo mínimo de permanência na sala de 60 minutos). 
 As questões de múltipla escolha serão corrigidas pelo gabarito abaixo. Rasuras neste 
gabarito invalidará a questão. 
 
 
GABARITO - QUESTÕES DE MULTIPLA ESCOLHA 
 A B C D E 
1 X 
2 X 
3 X 
4 X 
5 X 
6 X 
7 X 
 
1) (0,5 ponto) Para que os ciclos termodinâmicos tenham seu funcionamento correto é 
necessário que o calor seja transferido entre dois reservatórios térmicos com diferentes 
temperaturas, pois somente através desse gradiente é que teremos deslocamento de energia 
térmica. De acordo com as leis da física esse deslocamento segue o decréscimo do gradiente, 
isto é, a energia térmica sempre será transferida do reservatório de maior temperatura para o 
de menor, nunca ao contrário. Dentre os ciclos termodinâmicos podemos destacar os de 
refrigeração que são utilizados em equipamentos como refrigeradores, condicionadores de ar 
e bombas de calor. Esses ciclos são capazes de promover a troca térmica de calor no sentido 
contrário como demostrado na figura abaixo. 
 
 
 
Com base nos ciclos de refrigeração analise as seguintes afirmações: 
 
a – Os ciclos termodinâmicos de refrigeração são inviáveis na prática pois violam as leis da 
física. 
b – Os ciclos termodinâmicos de refrigeração só são capazes de promover a troca térmica 
entre o reservatório frio e o reservatório quente devido à adição de energia mecânica, na 
forma de variação de energia interna. 
c – De acordo com a Lei de Conservação da Energia, da Primeira Lei da Termodinâmica e 
baseado na figura apresentada, a quantidade de energia mecânica adicionada em um ciclo é 
igual a quantidade de energia rejeitada pelo ciclo menos a quantidade de energia térmica 
adicionada nele. 
d – Diferentemente de um refrigerador, as bombas de calor, apesar de também serem ciclos 
termodinâmicos de refrigeração, o coeficiente de performance está relacionado com a 
quantidade de calor rejeitada no reservatório quente. 
 
Das afirmações acima podemos dizer que estão corretas: 
 
a) As afirmações b e d; 
b) As afirmações c e d; 
c) As afirmações b e c; 
d) Somente a afirmação c; 
e) Todas as afirmações. 
 
2) (0,5 ponto) No primeiro bimestre estudamos a Primeira Lei da Termodinâmica e vimos o 
balanço de energia como mostrado abaixo: 
 
 
 
 
 
 ̇ ̇ ∑ ̇ ( 
 
 
 
 )
 
 ∑ ̇ ( 
 
 
 
 )
 
 
 
Porém, esse balanço de energia não é capaz de nos mostrar o sentido que os processos 
ocorrem. Para isso necessitamos da Segunda Lei da Termodinâmica, mostrada abaixo: 
 
 ∑
 
 
 
 
 
 
 
 ∑
 ̇ 
 
 
 ∑ ̇ 
 
 ∑ ̇ 
 
 ̇ 
 
Nenhum processo ocorre sem que atenda a 1° e 2° Lei da Termodinâmica. 
 
As máquinas térmicas são dispositivos cíclicos onde o fluido de trabalho volta ao seu estado 
inicial ao fim de cada ciclo. Em uma parte do ciclo o trabalho pelo fluido enquanto que em uma 
determinada parte o trabalho é realizado sobre o fluido. Com isso, é possível determinar o 
trabalho líquido realizado por essa máquina térmica. Já a eficiência depende de como são 
executados os processos individuais e estes podem ser maximizados usando processos 
reversíveis, como apresentados a seguir: 
 
Ciclos de Potência: 
 
 
 
 
 
 onde 
 
 
 
 
Ciclos de Refrigeração: Refrigerador → 
 
 
 
 
 
 onde 
 
 
 
 
 Bomba de Calor → 
 
 
 
 
 
 onde 
 
 
 
 
 
Essas relações de eficiência e coeficientes de performance máximos só é válido devido ao 
corolário de Carnot: 
 
 
 
 
 
 
 
 
Na prática os ciclos reversíveis não existem, pois irreversibilidades associadas a cada processo 
não podem ser eliminadas. O estudo dos ciclos reversíveis é importante para que possamos 
identificar o ponto de máximo desempenho e consequentemente buscamos melhorias aos 
processos reais a fim de nos aproximar ao máximo desses valores. 
O ciclo reversível mais estudado é o Ciclo de Carnot, proposto em 1824 pelo engenheiro francês 
Sadi Carnot, chamada máquina térmica de Carnot, que é um ciclo teórico capaz de mostrar a 
eficiência máxima que um ciclo termodinâmico pode atingir. 
 
O gráfico a seguir apresenta um ciclo de potência de Carnot. 
 
 
 
De acordo com esse gráfico podemos dizer que: 
 
I - Este ciclo de Carnot é comporto por um conjunto de processos 1-2-3-4 que representam 
respectivamente uma expansão isotérmica reversível, uma expansão adiabática reversível, uma 
compressão isotérmica reversível e uma compressão adiabática reversível. 
II - Os ciclos teóricos de Carnot representam os ciclos com máxima eficiência. 
III – A região no gráfico onde ocorre o processo de 3 para 4 é onde encontra-se a caldeira, 
havendo uma grande quantidade de energia térmica rejeitada, logo sendo um processo 
isotérmico, onde a temperatura de 3 é igual a temperatura de 4. 
IV – A região no gráfico onde ocorre o processo de 2 para 3 é onde encontra-se a turbina, onde 
está ocorrendo a expansão adiabática reversível e consequentemente a liberação de potência. 
Das afirmações abaixo estão corretas: 
 
a) I, II, III 
b) I, III, IV 
c) II, IV 
d) I, IV 
e) I, II, IV 
 
 
 
3) (0,5 ponto) Um grupo de estudos buscou nas tabelas de um livro de termodinâmica o valor da 
energia interna de uma determinada substância que se encontra no estado de vapor 
superaquecido. O grupo obteve a informação de que alguns livros não fornecem os valores da 
energia interna específica u na região do vapor superaquecido, uma vez que essa propriedade 
pode ser rapidamente calculada por meio de uma expressão que utiliza outras propriedades 
fornecidas na tabela. O grupo verificou que esse era o caso. Considerando h como a entalpia, 
p a pressão e v o volume específico, o grupo aplicou, para obter u, a expressão: 
a) u = v – hp 
b) u = p + hv 
c) u = p – hv 
d) u = h – pv 
e) u = h + pv 
 
4) (0,5 ponto) Um conjunto cilindro-êmbolo contém amônia na forma de líquido saturado. O 
êmbolo pode deslizar no interior do cilindro livremente e sem atrito. Fornece-se calor ao 
conjunto. 
Assinale a alternativa correta: 
a) A temperatura da amônia aumenta enquanto houver líquido no cilindro. 
b) O volume específico da amônia permanece constante. 
c) A pressão da amônia permanece constante enquanto houver líquido no cilindro. 
d) A pressão da amônia aumenta durante o processo. 
e) Nenhuma das alternativas anteriores é verdadeira 
 
 
 
5) (0,5 ponto) Um bocal destina-se a acelerar os gases de combustão após uma turbina de um 
Boeing 747-700. Considerado o processo de escoamento do gás no bocal adiabático, assinale 
a alternativa correta: 
 
 
 
a) a entropia do fluxo de gases de combustão naentrada do bocal será igual à da saída 
b) a entropia do fluxo de gases de combustão na saída do bocal será menor que na entrada 
c) a entropia do fluxo de gases de combustão irá depender da troca de calor que ocorre no bocal 
d) a entropia do fluxo de gases de combustão na saída do bocal será maior que na entrada 
e) é impossível determinar em qual ponto a entropia será maior 
 
 
 
6) (0,5 ponto) O ciclo de potência mostrado na figura abaixo possui rendimento de 20%. Pode-se 
afirmar que: 
 
a) 
 ̇ 
 ̇
 
b) ̇ ̇ 
c) 
 ̇ 
 ̇
 
d) 
 ̇ 
 ̇ 
 
e) 
 ̇ 
 ̇
 5 
 
7) (0,5 ponto) A caldeira para geração de vapor é um dos equipamentos energéticos mais 
importantes em uma planta de geração de energia utilizada em usinas termelétricas e 
nucleares. Durante este processo, grande quantidade de energia em forma de calor é liberada 
para o aproveitamento de uma substância que efetua o ciclo térmico, sendo que, dada sua 
grande disponibilidade, a mesma é frequentemente água. A história recente deste 
equipamento revela apreciáveis avanços nos parâmetros de geração atingidos 
Brevemente descrita em termos de funcionamento, água em estado líquido ingressa na 
caldeira impulsionada pela bomba de água de alimentação, sendo que devido ao calor 
absorvido dos gases quentes da combustão liberados na fornalha, ou devido a reação nuclear, 
a mesma atinge o estado de vapor superaquecido de elevada temperatura e pressão. 
Para sua melhor compreensão, embora existam perdas de pressão durante o percurso da 
água pela caldeira, o processo é admitido à pressão constante, sendo os dados que aparecem 
na tabela abaixo aqueles que mostram de forma aproximada as condições de saturação na 
pressão de trabalho da citada caldeira. 
P (kPa) Tsat (oC) vL (m
3/kg) vv (m
3/kg) uL (kJ/kg) uV (kJ/kg) 
8000 295 0,001384 0,023525 1300 2600 
Resumidamente, tal processo pode ser representado no seguinte diagrama Temperatura-
Volume considerando água como substância trabalho. 
 
De acordo com a descrição prévia, podem ser feitas as seguintes afirmações: 
I - Os pontos F e G estão sob a mesma temperatura de 295°C, o qual chamamos de temperatura 
de saturação para a pressão de trabalho da caldeira. 
II - O título do vapor nos pontos F e G são iguais, assim como a pressão e a temperatura. 
III - Para um ponto da região de mistura cujo título seja de 0,5, a energia interna é 
aproximadamente 1950 kJ/kg 
V – O processo da substância entre os estados 1, F e G ocorre à pressão e temperatura 
constante 
IV - No ponto F começa o processo de mudança de fase líquida para a fase vapor 
São enunciados falsos: 
a) Os enunciados II e IV 
b) Os enunciados I e IV 
c) Os enunciados I e III 
d) Só o enunciado IV 
e) Só o enunciado V 
 
8) (2,0 pontos) Diversos equipamentos industriais utilizam turbinas, compressores, bocais, 
trocadores de calor, bombas, etc. Considere uma máquina de corte por jato d’água a alta 
velocidade, com vazão volumétrica de 0,002 m3/s. A velocidade da água na seção de corte 
pode chegar a uma velocidade de 24 km/h. Neste ponto a água encontra-se na forma de água 
líquida comprimida com entalpia específica de 77,41 kJ/kg e volume específico de 0,5x10-3 
m3/kg. A bomba para proporcionar esse jato é alimentada por um grande reservatório com 
entalpia específica de 87,41 kJ/kg e velocidade inicial nula. Determine: 
a) A vazão mássica do jato, sabendo que a mesma é a relação entre a vazão volumétrica e a 
massa ou volume específico, em g/s. 
b) A potência necessária para acionar a bomba considerando que não haja troca de calor 
com a vizinhança, em kW. 
 
Resolução 
a) 
 ̇ 
 
 
 
 
 
 
 ̇ 
 ̇ 
 
b) 
 ̇ ̇ ̇ [( ) (
 
 
 
 
) ( )] 
 ̇ ̇ [( ) (
 
 
 
)] [( ) 
(
 
 )
 
] 
 ̇ 
Sendo que deve ser negativo pois isso significa que trabalho está sendo fornecido para a bomba. 
 
9) (2,0 pontos) Conforme ilustra a figura, dois ciclos reversíveis são colocados em série de forma 
que cada um tenha a mesma eficiência térmica do outro. O primeiro ciclo recebe energia QH 
por transferência de calor de um reservatório quente 3727°C e rejeita a energia Q por 
transferência de calor para um reservatório a temperatura intermediária T. O segundo ciclo 
recebe a energia Q por transferência de calor do reservatório à temperatura T e rejeita a 
energia Qc por transferência de calor para um reservatório a 727°C. Todas as transferências 
de energia são positivas nos sentidos das setas. Determine: 
a) A equação que representa a temperatura T em relação às temperaturas TH e TC. 
b) O valor da temperatura intermediária T, em °C. 
 
 
Resolução 
a) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 √ 
b) 
 √ ( ) 
 
10) (2,5 pontos) Deseja-se produzir refrigeração a -30°C. Dispõe-se de um reservatório térmico a 
227°C e a temperatura ambiente é 23°C. Assim, trabalho pode ser produzido por um motor 
térmico operando entre o reservatório de 227°C e o ambiente, e esse trabalho pode ser 
utilizado para acionar o refrigerador. Admitindo que todos os processor sejam reversíveis, 
determine a razão entre os calores transferidos do reservatório de alta temperatura e do 
espaço refrigerado. 
 
 
Resolução: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 (
 
 
) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(
 
 
)
 
 
 (
 
 
) 
 
(
 
 
)
 
 
 
 
 
 
(
 
 
) (
 
 
)
 
 
 
 
 
 ( )
( ) 
 
 ( )
( )