3. Anlise de Energia dos Sistemas Fechados Exerccios

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Análise de Energia dos Sistemas Fechados- Exercícios
MEC-1507 
Sistemas Térmicos I
Luiz Guilherme Vieira Meira de Souza
Um arranjo pistão-cilindro com batentes contém inicialmente 0,3 kg de vapor d’água 1,0 MPa e 400°C.
A localização dos batentes corresponde a 60% do volume inicial. 
O vapor é então resfriado.
Determine o trabalho de compressão caso o estado final seja 1,0 MPa e 250°C.
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Exercício 4-6
Uma massa de 5 kg de vapor d’água saturado a 300 kPa é aquecida a pressão constante até que a temperatura atinja 200°C.
Calcule o trabalho realizado pelo vapor durante esse processo.
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Exercício 4-8
Um arranjo pistão-cilindro que não sofre atrito contém, inicialmente, 200 litros de refrigerante R-134a em estado de líquido saturado.
O pistão está livre para se mover e sua massa é tal que mantém uma pressão de 900 kPa sobre o refrigerante.
O refrigerante é então aquecido até que sua temperatura atinja 70°C.
Calcule o trabalho realizado durante esse processo. 
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Exercício 4-9
Nitrogênio no estado inicial de 300 K, 150 kPa e 0m2 m³ é lentamente comprimido em um processo isotérmico até a pressão final de 800 kPa.
Determine o trabalho realizado durante esse processo.
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Exercício 4-12
Um arranjo pistão-cilindro contém 0,25 kg de gás nitrogênio inicialmente a 130 kPa e 120°C.
O nitrogênio é então expandido isotermicamente até uma pressão de 100 kPa.
Determine o trabalho de fronteira realizado durante esse processo.
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Exercício 4-23
Um tanque rígido de 0,5 m³ contém refrigerante R-134a inicialmente a 160 kPa e título de 40%.
Calor é então transferido para o refrigerante até que a pressão atinja 700 kPa.
Determine: 
a) a massa do refrigerante no tanque; 
b) a quantidade de calor transferido.
Mostre, também, o processo em um diagrama P-v que inclua as linhas de saturação.
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Exercício 4-25
Uma partição divide um tanque isolado em duas partes.
Uma parte do tanque contém 2,5 kg de água em estado de líquido comprimido a 60°C e 600 kPa, enquanto a outra parte foi evacuada.
A partição é, então, removida e a água se expande para todo o tanque.
Determine a temperatura final da água do tanque para uma pressão final de 10 kPa.
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Exercício 4-28
Um arranjo pistão-cilindro contém 5 kg de refrigerante R-134a a 800 kPa e 70°C.
O refrigerante é então resfriado a pressão constante até que se transforme em líquido a 15°C.
Determine a quantidade de calor perdido e mostre o processo em um diagrama T-v que inclua as linhas de saturação.
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Exercício 4-30
Um arranjo pistão-cilindro contém vapor d’água inicialmente a 1 MPa, 450°C e 2,5 m³.
Deixa-se o vapor esfriar à pressão constante até começar a condensar.
Mostre o processo em um diagrama T-v que inclua as linhas de saturação e determine: 
a) a massa do vapor;
b) a temperatura final;
c) a quantidade de calor transferido.
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Exercício 4-32
Um arranjo pistão cilindro contém inicialmente 0,8 m³ de vapor d’água saturado a 250 kPa.
Nesse estado, o pistão está apoiado sobre um conjunto de batentes e a massa do pistão é tal que é necessária uma pressão de 300 kPa para movê-lo.
Calor é, então, lentamente transferido para o vapor até que o volume dobre.
Mostre o processo em um diagrama P-v que inclua as linhas de saturação e determine: 
a) a temperatura final;
b) o trabalho realizado durante esse processo;
c) o calor total transferido.
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Exercício 4-35
Determine a variação da entalpia do nitrogênio em kJ/kg, quando ele é aquecido de 600 para 1000 K utilizando: 
(a) a equação empírica para o calor específico em função da temperatura (Tabela A-2c);
(b) o valor de cp à temperatura média (Tabela A-2b); 
(c) o valor de cp à temperatura ambiente (Tabela A-2a).
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Exercício 4-46
Determine a variação da energia interna do hidrogênio em kJ/kg, quando ele é aquecido de 200 para 800 K utilizando
(a) a equação empírica para o calor específico em função da temperatura (Tabela A-2c);
(b) o valor de cv à temperatura média (Tabela A-2b);
(c) o valor de cv à temperatura ambiente (Tabela A-2a).
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Exercício 4-47
Um tanque rígido de 2 m³ contém hidrogênio a 250 kPa e 550 K.
O gás é então resfriado até que sua temperatura caia para 350 K.
Determine:
a) a pressão final do tanque;
b) a quantidade de calor transferida.
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Exercício 4-49
Uma sala de 4 m x 5 m x 6 m deve ser aquecida por um aquecedor elétrico.
Deseja-se que o aquecedor tenha capacidade para elevar a temperatura do ar na sala de 7°C para 23°C em 15 minutos.
Admitindo que não há perdas de calor da sala e uma pressão atmosférica de 100 kPa, determine a potência necessária do aquecedor.
Considere calores específicos constantes à temperatura ambiente.
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Exercício 4-50
Um arranjo pistão-cilindro, cujo pistão está em repouso apoiado em um conjunto de batentes, contém 0,5 kg de gás hélio inicialmente a 100 kPa e 25°C.
A massa do pistão é tal que é necessária uma pressão de 500 kPa para elevá-lo.
Qual a quantidade de calor que deve ser transferida para o hélio antes que o pistão comece a se elevar?
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Exercício 4-54
Um arranjo pistão cilindro isolado contém inicialmente 0,3 m³ de dióxido de carbono a 200 kPa e 27°C.
Um interruptor elétrico é ligado, fazendo com que uma fonte de 110 V forneça energia a uma resistência dentro do cilindro por 10 minutos.
A pressão é mantida constante durante o processo, enquanto o volume dobra.
Determine a corrente que passa pela resistência.
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Exercício 4-57
Um arranjo pistão-cilindro contém 4 kg de argônio a 250 kPa e 35°C.
Durante um processo de expansão isotérmica em quase-equilíbrio, 15 kJ de trabalho de fronteira são realizados pelo sistema e 3 kJ de trabalho são realizados sobre o sistema por um agitador mecânico.
Determine a transferência de calor durante esse processo.
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Exercício 4-61
Rolamentos de aço inoxidável (ρ=8085 kg/m³ e cp=0,48 kJ/kg.°C) com diâmetro de 1,2 cm devem ser temperados em água a uma taxa de 800 rolamentos por minuto.
Os rolamentos deixam o forno a uma temperatura uniforme de 900°C e são expostos ao ar a 25°C por algum tempo antes de serem imersos na água.
Se a temperatura dos rolamentos cair a 850°C antes da têmpera, determine a taxa de transferência de calor dos rolamentos para o ar. 
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Exercício 4-67
Um ovo comum pode ser aproximado como uma esfera de 5,5 cm de diâmetro.
O ovo está inicialmente à temperatura uniforme de 8°C e é colocado em água fervente a 97°C.
Considerando as propriedades do ovo como sendo ρ=1020 kg/m³ e cp=3,32 kJ/kg.°C, determine quanto calor é transferido para o ovo até o momento em que a sua temperatura média atinge 80°C.
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Exercício 4-71
Bastões cilíndricos longos de aço (ρ=7833 kg/m³ e cp=0,465 kJ/kg.°C) de 10 cm de diâmetro são tratados termicamente pela passagem a uma velocidade de 3m/min em um forno mantido a 900°C.
Se os bastões entrarem no forno a 30°C e saírem a uma temperatura média de 700°C, determine a taxa de transferência de calor para os bastões no forno.
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Exercício 4-72