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A Segunda Lei da Termodinâmica- Exercícios MEC-1507 Sistemas Térmicos I Luiz Guilherme Vieira Meira de Souza Uma usina de potência a vapor de 600 MW, que é resfriada por um rio próximo, tem uma eficiência térmica de 40%. Determine a taxa de transferência de calor para a água do rio. A taxa real de transferência de calor será mais alta ou mais baixa que esse valor? Por quê? 2 Exercício 6-17 Uma usina a vapor recebe calor de uma fornalha a uma taxa de 280 GJ/h. As perdas de calor do vapor para o ar circundante, quando o vapor passa pelas tubulações e outros componentes, são estimadas em cerca de 8 GJ/h. Se o calor rejeitado for transferido para a água de resfriamento a uma taxa de 145 GJ/h, determine (a) a potência líquida produzida e (b) a eficiência térmica dessa usina. 3 Exercício 6-18 Uma usina a vapor com uma potência líquida de 150 MW consome carvão a uma taxa de 60 tons/h. Se o poder calorífico do carvão for de 30.000 kJ/kg, determine a eficiência global dessa usina. 4 Exercício 6-19 Um refrigerador doméstico com COP de 1,2 remove calor do espaço refrigerado a uma taxa de 60 kJ/min. Determine (a) a energia elétrica consumida pelo refrigerador e (b) a taxa de transferência de calor para o ar da cozinha. 5 Exercício 6-36 Um condicionador de ar remove calor de uma casa, de maneira estável (regime permanente), a uma taxa de 750 kJ/min, enquanto consome energia elétrica a uma taxa de 6 kW. Determine (a) o COP desse condicionador de ar e (b) a taxa de transferência de calor para o ar externo. 6 Exercício 6-37 Um refrigerador doméstico funciona um quarto do tempo e remove calor do compartimento de alimentos a uma taxa média de 800 kJ/h. Se o COP do refrigerador for 2,2, determine a potência que o refrigerador consome quando está funcionando. 7 Exercício 6-38 Um refrigerador doméstico ao qual potência é entregue a uma taxa de 450 W e que possui um COP de 2,5 deve resfriar cinco grandes melancias, de 10 kg cada, a 8°C. Se as melancias estiverem inicialmente a 20°C, determine quanto tempo levará para que o refrigerador as refrigere. As melancias podem ser consideradas como compostas somente por água cujo calor específico é de 4,2 kJ/kg.°C. 8 Exercício 6-39 Quando um homem volta para sua casa bem vedada em um dia de verão, ele encontra a casa a 32°C. Ele liga o sistema de ar-condicionado, que refrigera toda a casa a 20°C em 15 minutos. Se o COP desse sistema for de 2,5, determine a energia consumida pelo ar condicionado. Considere que toda a massa dentro da casa seja equivalente a 800 kg de ar para a qual cv=0,72 kJ/kg.°C e cp=1,0 kJ/kg.°C. 9 Exercício 6-40 Uma bomba de calor utilizada para aquecer uma casa funciona cerca de um terço do tempo. A casa está perdendo calor a uma taxa média de 22.000 kJ/h. Se o COP da bomba de calor for 2,8, determine a energia consumida por ela quando em funcionamento. 10 Exercício 6-44 Uma máquina térmica de Carnot opera entre uma fonte a 1000 K e um sumidouro a 300 K. Se a máquina térmica receber calor a uma taxa de 800 kJ/min, determine (a) a eficiência térmica e (b) a potência oferecida por essa máquina térmica. 11 Exercício 6-64 Uma máquina térmica de Carnot recebe 650 kJ de calor de uma fonte desconhecida a rejeita 250 kJ para um sumidouro a 24°C. Determine a temperatura da fonte e (b) a eficiência térmica da máquina térmica. 12 Exercício 6-65 Uma máquina térmica opera entre uma fonte a 550°C e um sumidouro a 25°C. Se for fornecido calor à máquina térmica a uma taxa constante de 1200 kJ/min, determine a máxima potência produzida por essa máquina térmica. 13 Exercício 6-66 Uma maneira inovadora de geração de potência envolve a utilização de energia geotérmica (a energia da água quente que existe naturalmente no subsolo) como a fonte de aquecimento. Se uma fonte de água quente a 140°C for descoberta em um local onde a temperatura ambiente seja de 20°C, determine a eficiência térmica máxima que pode ter uma usina de potência geotérmica construída nesse local. 14 Exercício 6-69 Um inventor alega ter desenvolvido uma máquina térmica que recebe 700 kJ de calor de uma fonte a 500 K e produz 300 kJ de trabalho líquido enquanto rejeita o calor para um sumidouro a 290 K. Essa é uma alegação razoável? 15 Exercício 6-70 Um refrigerador de Carnot opera em uma sala à temperatura de 22°C e consome 2 kW de potência durante a operação. Se o compartimento de alimentos do refrigerador tiver de ser mantido a 3°C, determine a taxa de remoção de calor desse compartimento. 16 Exercício 6-77 Um refrigerador deve remover calor do espaço refrigerado a uma taxa de 300 kJ/min para manter sua temperatura a -8°C. Se o ar circundante do refrigerador estiver a 25°C, determine a potência mínima necessária para alimentar este refrigerador. 17 Exercício 6-78 Um refrigerador de Carnot opera em uma sala cuja temperatura é 25°C. O refrigerador consome 500 W de potência quando em operação e tem um COP de 4,5. Determine (a) a taxa de remoção de calor do espaço refrigerado. 18 Exercício 6-80 Um inventor alega ter desenvolvido um sistema de refrigeração que remove calor de um espaço fechado a -12°C e o transfere para o ar vizinho que está a 25°C enquanto mantém um COP de 6,5. Isso é válido? Por quê? 19 Exercício 6-81 Durante um experimento conduzido em uma sala a 25°C, um assistente de laboratório conclui que um refrigerador que consome 2 kW de energia removeu 30.000 kJ de calor do espaço refrigerado, que é mantido a -30°C. O tempo de funcionamento do refrigerador durante o experimento foi de 20 minutos. Determine se a conclusão é razoável. 20 Exercício 6-82 Uma bomba de calor é utilizada para aquecer uma casa e mantê-la a 24°C. Em um dia de inverno, quando a temperatura do ar externo é de -5°C, calcula-se que a casa perca calor a uma taxa de 80.000 kJ/h. Determine a potência mínima necessária para operar essa bomba de calor. 21 Exercício 6-83 Uma bomba de calor é usada para manter uma casa a 22°C pela extração de calor do ar externo em um dia em que a temperatura do ar externo é de 2°C. Calcula-se que a casa perca calor a uma taxa de 110.000 kJ/h e que a bomba de calor consuma 5 kW de energia elétrica quando em operação. Essa bomba de calor tem potência suficiente para realizar o serviço? 22 Exercício 6-84 A estrutura de uma casa é de tal forma que ela perde calor a uma taxa de 5400 kJ/h por °C de diferença entre o ambiente interno e o externo. Uma bomba de calor que necessita de uma potência de 6 kW é utilizada para manter essa casa a 21°C. Determine a temperatura externa mais baixa com a qual a bomba de calor poderá atender as necessidades dessa casa. 23 Exercício 6-85
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