[Exercícios] - Termodinâmica Aplicada I - Lista de exercícios – 1ª Lei para Volume de Controle

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Termodinâmica Aplicada I 
Lista de exercícios – 1ª Lei para Volume de Controle 
 
 
1. Água evapora no interior do tubo de uma caldeira que opera a 100 kPa. A 
velocidade do escoamento de líquido saturado que alimenta o tubo é 1 m/s e o tubo 
descarrega vapor saturado a 100 kPa. Qual é a velocidade do escoamento de vapor na 
seção de descarga do tubo? 
 
2. Uma caldeira é alimentada com 5000 kg/h de água líquida a 5 MPa e 20 ºC e 
descarrega vapor d’água a 450ºC e 4,5 MPa. Determine a área das sessões de 
escoamento nas sessões de alimentação e descarga da caldeira de modo que a 
velocidade dos escoamentos seja menor que 20 m/s. 
 
3. Um bocal convergente é alimentado com nitrogênio o 200 kPa e 400 K. O 
escoamento na sessão de descarga do bocal apresenta temperatura e pressão iguais a 330 
K e 100 kPa. Sabendo que a velocidade do nitrogênio na sessão de alimentação do bocal 
é pequena e que o bocal é adiabático, determine a velocidade do escoamento na sessão 
de descarga do bocal. 
 
4. Um difusor é alimentado com um escoamento de gás perfeito que apresenta 
velocidade igual a 250 m/s, T = 300 K e P = 100kPa. A velocidade do escoamento na 
sessão de descarga do difusor é 25 m/s. Determine a temperatura do escoamento na 
sessão de descarga do difusor se o gás é Argônio, Hélio e Nitrogênio. 
 
5. Hélio é estrangulado de 1,2 MPa e 20ºC até a pressão de 100 kPa. Os 
diâmetros do tubo de alimentação e descarga são tais que as velocidade de saída e de 
entrada são iguais. Determine a temperatura de saída do Hélio e a razão entre o diâmetro 
dos tubos. 
 
6. Líquido saturado de R-12 a 25ºCé estrangulado, em regime permanente, até a 
pressão de 150,9 kPa no capilar de um refrigerador. Qual é a temperatura na sessão de 
descarga do capilar? Determine o aumento percentual na vazão em volume que ocorre 
neste escoamento. 
 
7. O nível da água de uma represa, onde está localizada uma usina hidrelétrica, é 
200 m acima do nível de descarga (a jusante da barragem). Sabendo que a potência 
elétrica gerada na usina é 1300 MW e que a temperatura da água na represa é 17,5 ºC, 
determine a vazão mínima de água nas turbinas hidráulicas. 
 
8. O rotor de um moinho de vento apresenta diâmetro igual a 40m e o moinho 
transforma 40% da energia cinética do vento em trabalho de eixo. Determine a potência 
gerada pelo moinho num dia que a temperatura e a velocidade do vento são iguais a 
20ºC e 30 km/h. 
 
9. A figura abaixo mostra o esquema de uma pequena turbina a vapor d’água que 
produz uma potência de 110kW operando em carga parcial. Nesta condição, a vazão de 
vapor é 0,25 kg/s, a pressão e a temperatura na seção 1 são, respectivamente, iguais a 
1,4 MPa e 250ºC e o vapor é estrangulado até 1,1 MPa antes de entrar na turbina. 
Sabendo que a pressão de saída da turbina é 10kPa, determine o título; ou a temperatura, 
se o vapor estiver superaquecido; da água na seção de saída da turbina. 
 
 
 
10. Um compressor é alimentado com ar a 17ºC e 100 kPa e descarrega o fluido, 
a um 1MPa e 600 K, num resfriador que opera a pressão constante. Sabendo que a 
temperatura na sessão de saída do resfriador é 300 K, determine o trabalho específico no 
compressor e a transferência específica de calor no processo. 
 
 
 
11. Uma bomba hidráulica é acoplada a um bocal através de uma tubulação curta 
(vide figura abaixo). Os diâmetros das tubulações de alimentação e descarga da bomba 
são iguais a 10mm. A bomba é acionada por um motor de 1kW e alimentada com água a 
100kPa e 15ºC, e o bocal descarrega o fluido num ambiente onde a pressão é igual a 
100kPa. Desprezando as variações de energia cinética dos escoamentos e admitindo que 
eles são isotérmicos, determine a vazão em massa de água na bomba e a velocidade de 
descarga da água no bocal. 
 
 
 
12. Uma máquina geradora de potência opera em regime permanente e é 
alimentada com duas vazões de água. A vazão de água na linha 1 é 2,0 kg/s e o fluido 
apresenta, nesta linha, pressão e temperatura iguais a 2MPa e 500ºC. A vazão de água 
na linha 2 é 0,5 kg/s e a pressão e temperatura, nesta linha, são iguais a 120kPa e 30ºC. 
A máquina descarrega água através de uma tubulação que apresenta diâmetro igual a 
150mm. A pressão e o título do vapor descarregado pela máquina são iguais a 150kPa e 
80%. Sabendo que a máquina transfere 300 kW de calor ao ambiente, determine a 
velocidade na tubulação de exaustão e a potência gerada nesta máquina. 
 
 
13. A cogeração é normalmente utilizada em processos industriais que 
apresentam consumo de vapor d’água a várias pressões. Admita que, num processo, 
existe a necessidade de uma vazão de 5kg/s de vapor a 0,5 MPa. Em vez de gerar este 
insumo, utilizando um conjunto bomba-caldeira independente, propõe-se a utilização da 
turbina mostrada na figura. Determine a potência gerada nesta turbina. 
 
 
 
 
14. Um trocador de calor é alimentado com 2 kg/s de amônia líquida a 20ºC e 
1003kPa e com 1 kg/s de nitrogênio a 1500K. Sabendo que o nitrogênio deixa o 
trocador de calor a 600K, determine a taxa de transferência de calor no trocador. 
Calcule, também, o estado da amônia em sua sessão de descarga. 
 
15. Dois escoamentos de ar são misturados num “Tê”. O primeiro escoamento 
apresenta vazão em volume igual a 1 m³/s e o ar está a 20ºC e 100kPa. O segundo 
escoamento apresenta vazão em volume igual a 2 m³/s e o ar está a 200ºC e 100kPa. 
Admitindo que o escoamento no Tê pode ser considerado adiabático e que a pressão no 
escoamento combinado é 100kPa, determine a temperatura e a vazão em volume na 
descarga do Tê. Despreze as variações de energia cinética nos escoamentos. 
 
16. A central de potência baseada na turbina a gás tem sido utilizada para 
atender os picos de consumo de energia elétrica. A figura abaixo mostra o esquema de 
uma dessas centrais com suas variáveis operacionais. Observe que a turbina aciona o 
gerador elétrico e o compressor de ar. Sabendo que a potência do gerador elétrico é 
5MW, determine a vazão em massa na seção 1 e a transferência de calor que deve 
ocorrer entre as seções 2 e 3 indicadas na figura. 
 
 
17. A figura abaixo mostra o esquema de uma bomba de calor que opera com R-
12. A vazão de refrigerante é 0,05 kg/s, a potência de acionamento do compressor é 
4kW e as condições operacionais do ciclo são: 
 
 
Nestas condições, determine: 
a. O calor transferido no compressor. 
b. O calor transferido do R-12 no condensador. 
c. O calor transferido para o R-12 no evaporador. 
 
18. Um tanque rígido de aço, isolado, com 1m³ e massa de 40 kg contém ar a 
500kPa. As temperaturas do tanque e do ar são iguais a 20ºC. O tanque está ligado, 
através de uma ramificação com válvula, a uma linha onde o ar escoa a 2MPa e 20ºC. A 
válvula é aberta, permitindo o escoamento de ar para o tanque, e só é fechada quando a 
pressão interna atinge 1,5MPa. Admitindo que o tanque e o ar estejam sempre em 
equilíbrio térmico, determine a temperatura no instante em que a válvula é fechada. 
 
19. Um tanque com volume de 1m³ contém amônia a 0,15MPa e 25ºC. O tanque 
está ligado a uma linha onde escoa amônia a 1,2 MPa e 60ºC. A válvula é aberta e a 
amônia escoa para o tanque, até que a metade do volume do tanque esteja ocupado por 
líquido a 25ºC. Calcular o calor transferido neste processo.