Lista 02 Balanco de Energia
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Lista 02 Balanco de Energia

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Lista 2 \u2013 Balanço de Energia ou 1ª Lei da Termodinâmica \u2013 Moran 5a Ed.

1 (Exercício 3.32, pág. 54) Como mostrado na Figura abaixo, 5 kg de vapor contidos dentro de um conjunto pistão-

cilindro passam por uma expansão do estado 1, onde a energia interna específica é \ud835\udc621 = 2709,9 kJ/kg, para o estado 2,

onde \ud835\udc622 = 2659,6 kJ/kg. Durante o processo, há transferência de calor para o vapor da ordem de 80 kJ. Além disso,

uma roda de pá transfere energia por trabalho para o vapor na ordem de 18,5 kJ. Não há alteração significativa na

energia cinética ou potencial do vapor. Determine a transferência de energia por trabalho do vapor para o pistão

durante o processo, em kJ. Resp.: \ud835\udc7e\ud835\udc29\ud835\udc22\ud835\udc2c\ud835\udc2dã\ud835\udc28 = 350 kJ.

2 (Exercício 3.28, pág. 54) Cada linha da tabela a seguir fornece informações sobre um processo em um sistema

fechado. Todos os valores possuem as mesmas unidades de energia. Complete os espaços em branco.

Processo \ud835\udc44 \ud835\udc4a \ud835\udc381 \ud835\udc382 \ud835\udee5\ud835\udc38
A +50 -20 +50

B +50 +20 +20

C -40 +60 +20

D -90 +50 0

E +50 +20 -100

3 (Exemplo 3.2, pág. 42) Quatro quilogramas de um certo gás estão contidos em uma montagem pistão-cilindro. O

gás está submetido a um processo para o qual a relação pressão-volume é \ud835\udc5d\ud835\udc49\ud835\udc5b = Constante, onde \ud835\udc5b = 1,5. A pressão

inicial é 3 bar, o volume inicial é 0,1 m3 e o volume final é 0,2 m3. A variação da energia interna específica do gás no

processo é \ud835\udc622\u2013 \ud835\udc621 =\u20134,6 kJ/kg. Não há variações significativas nas energias cinética e potencial. Determine a

transferência líquida de calor para o processo, em kJ. Resp.: \ud835\udc78 = \u20130,8 kJ.

4 (Problema 3.30, pág. 54) Um sistema fechado de massa 2 kg é submetido a um processo no qual o calor é

transferido com uma magnitude de 25 kJ do sistema para sua vizinhança. A elevação do sistema aumenta em 700 m

durante o processo. A energia interna especifica do sistema decresce 15 kJ/kg e não há variação na energia cinética do

sistema. A aceleração da gravidade é constante em \ud835\udc54 = 9,6 m/s2. Determine o trabalho, em kJ. Resp.: \ud835\udc7e = \u22128,44 kJ.

5 (Problema 3.31, pág. 54) Um sistema fechado de massa 3 kg é submetido a um processo no qual o calor é

transferido a 150 kJ do sistema para sua vizinhança. O trabalho realizado sobre o sistema é 75 kJ. Se a energia interna

específica inicial do sistema é 450 kJ/kg, qual é a energia interna específica final em kJ/kg? Despreze as variações nas

energias cinética e potencial. Resp.: \ud835\udc96\ud835\udfd0 = 425 kJ/kg.

6 (Problema 3.33, pág. 54) Um sistema fechado de massa 2 lb é submetido a dois processos em série:

Processo 1 \u2013 2: \ud835\udc631 = \ud835\udc632 = 4,434 ft
3/lb; \ud835\udc5d1 = 100 lbf/in

2; \ud835\udc621 = 1105,8 Btu/lb; \ud835\udc4412 = \u2212581,36 Btu.

Processo 2 \u2013 3: \ud835\udc5d2 = \ud835\udc5d3 = 60 lbf/in
2; \ud835\udc633 = 7,82 ft

3/lb; \ud835\udc623 = 1121,4 Btu/lb.

Os efeitos de energia cinética e potencial podem ser desprezados. Determine o trabalho e a transferência de calor para

o processo 2 \u2013 3, em Btu. Resp.: \ud835\udc7e\ud835\udfd0\ud835\udfd1 = 75,17 Btu; \ud835\udc78\ud835\udfd0\ud835\udfd1 = 687,7 Btu.

7 (Problema 3.34, pág. 54) Um gerador elétrico acoplado a um moinho de vento produz uma potência elétrica média

de saída de 15 kW. A potência elétrica é utilizada para carregar uma bateria. A transferência de calor da bateria para a

vizinhança ocorre a uma taxa constante de 1,8 kW. Determine, para 8h de operação,

a) A quantidade total de energia armazenada na bateria, em kJ. Resp.: \uf044\ud835\udc6c = 3,8 \uf0b4 105 kJ.

b) O valor da energia armazenada, em $, se a eletricidade custa $0,08 por kW h. Resp.: V = $8,45.

8 (Problema 3.38, pág. 54) Um gás se expande em uma montagem pistão-cilindro de \ud835\udc5d1 = 8,2 bar, \ud835\udc491 = 0,0136 m
3

para \ud835\udc5d2 = 3,4 bar em um processo politrópico (\ud835\udc5d\ud835\udc49
\ud835\udc5b = \ud835\udc36\ud835\udc5c\ud835\udc5b\ud835\udc60\ud835\udc61.), no qual o expoente \ud835\udc5b é igual a 1,2. A massa do gás é

de 0,183 kg. Se a energia interna especifica do gás decresce em 29,8 kJ/kg durante o processo, determine a

transferência de calor, em kJ. Os efeitos das energias cinética e potencial são desprezíveis. Resp.: \ud835\udc78 = 2,196 kJ.

9 (Problema 3.39, pág. 54) Ar está contido em um tanque rígido bem isolado com um volume de 0,6 m3. Uma roda

de pás no tanque transfere energia para o ar a uma taxa constante de 4 W por 1 h. A massa específica inicial do ar é de

1,2 kg/m3. Se não ocorrerem variações nas energias cinética e potencial, determine: a) o volume específico no estado

final, em m3/kg; b) a transferência de energia por trabalho, em kJ; c) a variação na energia interna específica do ar, em

kJ/kg. Resp.: a) \ud835\udc97\ud835\udfd0 = 0,83 m
3/kg, b) \ud835\udc7e = \u221214,4 kJ, c) \uf044\ud835\udc96 = 20 kJ/kg.

10 (Problema 3.40, pág. 54) Um gás está contido em um tanque fechado e rígido. Um resistor elétrico no tanque

transfere energia para o gás a uma taxa constante de 1000 W. A transferência de calor entre o gás e a vizinhança

ocorre a uma taxa de \ufffd\u307\ufffd = \u221250\ud835\udc61, onde \ufffd\u307\ufffd está em watts e t é o tempo, em min.

a) Represente graficamente a taxa temporal da variação da energia para o gás para 0 \u2264 \ud835\udc61 \u2264 20 min, em watts.

b) Determine a variação líquida na energia do gás após 20 min, em kJ. Resp.: \uf044\ud835\udc6c = 600 kJ.

c) Se a eletricidade custa $0,08 por kW.h, qual o custo de eletricidade para 20 min de operação do resistor? Resp.: V

= $0,027.

11 (Problema 3.41, pág. 54) O vapor em uma montagem pistão-cilindro é submetido a um processo politrópico, com

\ud835\udc5b = 2, de um estado inicial onde \ud835\udc5d1 = 500 lbf/in
2, \ud835\udc631 = 1,701 ft

3/lb, \ud835\udc621 = 1363,3 Btu/lb para um estado final onde

\ud835\udc622 = 990,58 Btu/lb. Durante o processo, há uma transferência de calor do vapor para a vizinhança de magnitude de

342,9 Btu. A massa de vapor é 1,2 lb. Desprezando as variações nas energias cinética e potencial, determine a) o

trabalho, em Btu, e b) o volume final específico final, em ft3/lb. Resp.: a) \ud835\udc7e = 104,4 Btu, b) \ud835\udc97\ud835\udfd0 = 3,802 ft
3/lb.

12 (Problema 3.44, pág. 55) Um gás contido dentro de um conjunto pistão-cilindro é mostrado na figura abaixo.

Inicialmente, a face do pistão está em \ud835\udc65 = 0 e a mola não exerce força sobre ele. Como resultado da transferência de

calor, o gás se expande, elevando o pistão até ele atingir o limite superior. Nesse ponto a face do pistão está localizada

em \ud835\udc65 = 0,06 m e a transferência de calor cessa. A força exercida pela mola sobre o pistão quando o gás se expande

varia linearmente com \ud835\udc65 de acordo com \ud835\udc39mola = \ud835\udc58\ud835\udc65, onde \ud835\udc58 = 9000 N/m. O atrito entre o pistão e a parede do

cilindro pode ser desconsiderado. A aceleração da gravidade é \ud835\udc54 = 9,81 m/s2. Informações adicionais são fornecidas

na figura.

a) Qual é a pressão inicial do gás, em kPa? Resp.: \ud835\udc91\ud835\udc8a \u2245 112,58 kPa.

b) Determine o trabalho realizado pelo gás sobre o pistão, em J. Resp.: \ud835\udc7e = 68,89 J.

c) Se as energias internas específicas do gás (\ud835\udc5aGás = 0,5 g) nos estados inicial e final forem de 210 e 335 kJ/kg,

respectivamente, calcule a transferência de calor, em J. Resp.: \ud835\udc78 = 131,39 J.

13 (Problema 3.43, pág. 55) Ar está contido em uma montagem vertical pistão-cilindro por um pistão de massa 50 kg

e uma área de 0,01 m2. A massa do ar é de 4 g, e o ar ocupa inicialmente um volume de 5 litros. A atmosfera exerce

uma pressão de 100 kPa sobre a superfície do pistão. A transferência de calor de magnitude 1,41 kJ ocorre lentamente

a partir do ar para sua vizinhança, e o volume do ar diminui a 0,0025 m3. Desprezando o atrito entre o pistão e a

parede do cilindro, determine a variação de energia interna de energia do ar, em kJ/kg. Resp.: \u2206\ud835\udc96 = \u2212 259,34 kJ/kg.

14 (Exemplo 3.3, pág. 44) O ar encontra-se contido em uma montagem vertical cilindro-pistão equipada com um

resistor elétrico. A atmosfera exerce uma pressão de 14,7 lbf/in2 na superfície superior do pistão, que tem uma massa

de 100 lb e uma área de superfície de 1ft2. Uma corrente elétrica passa através do resistor e o volume de ar aumenta

lentamente de 1,6 ft3 enquanto sua pressão se mantem constante. A massa de ar é 0,6 lb e sua energia interna

específica