3a lista de TB

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3a lista de TB: Ø Ciclos motores e refrigeradores Ø 1a e 2a Lei para Sistemas. Ø Ciclo de Carnot Ø Entropia e geração de entropia Ø Propriedades de substâncias e uso de Tabelas Termodinâmicas. 
1. O trabalho líquido de um ciclo motor é 8.106Btu e a transferência de calor do sistema para o reservatório térmico é 12.106Btu. Qual é a eficiência térmica do ciclo? (0,67 ou 67%) 
2. Um ciclo recebe energia por transferência de calor da queima de um combustível a uma taxa de 30MW. A eficiência térmica do ciclo é 3,3%. 
a) Determine a potencia líquida desenvolvida, em MW. (9,9MW) 
b) Para 800h de operação anual, determine o trabalho líquido em KW.h/ano. (792000kW.h/ano) c) Calculando a saída de trabalho líquido a $0,08 por kW.h, determine o valor do trabalho líquido em $/ano. ($6393600/ano) 
3. Um ciclo de refrigeração opera com transferência de calor de saída de 320Btu e trabalho líquido de 120Btu. Determine o coeficiente de eficácia para o ciclo bomba de calor e para o ciclo refrigerador. (2,67 e 1,67) 
4. Um ciclo de refrigeração remove energia de um espaço refrigerado a uma taxa de 1200Btu/h. Para um coeficiente de desempenho de 2,6, determine a potencia líquida necessária, em Btu/h. Converta sua resposta para hp. Dado: 1kW=3412,14Btu/h e 1hp=0,74kW. (4615,4Btu/h ; 1,828hp) 
5. Um ciclo de bomba de calor cujo coeficiente de eficácia é 2,5 entrega energia por transferência de calor para uma residência a uma taxa de 20kW. 
a) determine a potencia líquida necessária para operar a bomba de calor, em kW. (8kW) 
b) Calculando o custo da energia em $0,08 por kW.h, determine o custo da eletricidade em um mês quando a bomba de calor opera durante 20h. ($128,0) 
6. (7.15) A taxa de transferência de calor dos gases de combustão para um motor a gasolina é 35kW. Sabendo que a potência no eixo do motor é 20HP, determine a eficiência térmica e a taxa de transferência de calor rejeitada no ambiente. 
R: 0,42; 20,2kW. 
7. (7.2) A potência utilizada para acionar um aparelho de ar condicionado de janela é 1,5kW e a taxa de transferência de calor rejeitada no ambiente é 5,1kW. Determine a taxa de transferência de calor no ambiente refrigerado e o coeficiente de desempenho do refrigerador. R: 3,6kW; 2,4. 
8. (7.19) Uma central termoelétrica a carvão tem uma eficiência de 35% e produz uma potência líquida de 500MW de eletricidade. Sabendo que o carvão libera 25000kJ/kg na sua queima, qual é o consumo de carvão por hora? R: 205,7 toneladas por hora. 
9. Ciclos termodinâmicos de potência possuem o seguinte diagrama esquemático: Figura adaptada (Moran e Shapiro, LTC 2010) Uma central de energia de geração de potencial fornece 100 MW de eletricidade para uma comunidade. Além disso, uma parcela de 40 MW de energia térmica rejeitada é reaproveitada para um processo de aquecimento secundário de uma empresa instalada nas imediações. Sendo a eficiência do processo a relação entre a energia térmica admitida no processo e o trabalho elétrico por ele gerado, e valendo 50%, determine: 
a) A taxa de energia térmica adicionada em forma de calor, em MW. (200MW) 
b) A taxa de energia rejeitada para o meio ambiente, em MW. (60MW) 
c) o valor de energia gerada em milhões de reais por mês, sabendo que a eletricidade vale R$ 0,10/kW.h. (7200000 milhões por mês) 
10. As usinas de potência (termoelétricas e nucleares) precisam retornar ao meio ambiente uma determinada quantidade de calor para o funcionamento do ciclo. O retorno de grande quantidade de água aquecida para um rio ou lago pode afetar a capacidade de manter gases dissolvidos, o que inclui o oxigênio necessário para a vida aquática local. Se a temperatura for maior que 35°C, o oxigênio dissolvido pode ser insuficiente para manter algumas espécies de peixes. Além disso, se a
diferença de temperatura entre o retorno e a água presente no meio ambiente for muito grande, algumas espécies de peixes podem ficar estressadas causando um desequilíbrio em diversas atividades, inclusive a reprodutora. Outro problema encontrado é que espécies não nativas podem assumir o controle da região por serem mais adaptadas a águas quentes e também há o favorecimento para o aparecimento e crescimento de algas e bactérias. Com base nos seus conhecimentos sobre energia para ciclos, analise as seguintes afirmações: 
a) Os ciclos de potência poderiam trabalhar sem a rejeição de energia térmica para um corpo frio na forma de calor desde que toda energia térmica que entra no ciclo fosse transformada em trabalho. 
b) A eficiência térmica de um ciclo é medida pela relação entre o trabalho do ciclo e o calor que nele é adicionado. 
c) Nos ciclos termodinâmicos de potência, a quantidade de energia térmica que entra no ciclo é igual a soma da quantidade de energia térmica que sai do ciclo mais o trabalho gerado pelo ciclo. Das afirmações acima podemos dizer que estão corretas: 
a) Somente a afirmação b; 
b) Somente a afirmação c; 
c) As afirmações a e c; 
d) Todas as afirmações. 
e) As afirmações b e c. 
R: e 
11. (Carnot) Em certas localidades é possível utilizar a energia geotérmica da água subterrânea. Considere um suprimento de água líquida saturada a 150oC. Qual é o máximo rendimento térmico de um motor que usa essa fonte e que opera num meio a 20oC? (0,95) 
12. Uma bomba de calor deve ser usada para aquecer uma residência durante o inverno, mantendo a temperatura interna em 20oC. Estima-se que quando a temperatura do meio externo cai a -10oC, a taxa de transferência de calor da residência para o meio seja igual a 25kW. Qual é a mínima potência elétrica necessária para acionar esta bomba de calor? (2,85kW) 
13. Uma máquina cíclica utilizada para transferir calor de um reservatório a alta temperatura para outro a baixa temperatura. Determine se esta máquina é reversível, irreversível ou impossível se as condições de operação são as seguintes: TH=1000K; TL=400K; QH=325kJ; W=200kJ; QL=125kJ. (motor, irreversível mas impossível) diferença de temperatura entre o retorno e a água presente no meio ambiente for muito grande, algumas espécies de peixes podem ficar estressadas causando um desequilíbrio em diversas atividades, inclusive a reprodutora. Outro problema encontrado é que espécies não nativas podem assumir o controle da região por serem mais adaptadas a águas quentes e também há o favorecimento para o aparecimento e crescimento de algas e bactérias. Com base nos seus conhecimentos sobre energia para ciclos, analise as seguintes afirmações: a) Os ciclos de potência poderiam trabalhar sem a rejeição de energia térmica para um corpo frio na forma de calor desde que toda energia térmica que entra no ciclo fosse transformada em trabalho. b) A eficiência térmica de um ciclo é medida pela relação entre o trabalho do ciclo e o calor que nele é adicionado. c) Nos ciclos termodinâmicos de potência, a quantidade de energia térmica que entra no ciclo é igual a soma da quantidade de energia térmica que sai do ciclo mais o trabalho gerado pelo ciclo. Das afirmações acima podemos dizer que estão corretas: 
a) Somente a afirmação b; 
b) Somente a afirmação c; 
c) As afirmações a e c; 
d) Todas as afirmações. 
e) As afirmações b e c. R: e 
14. Sódio líquido deixa um reator nuclear a 800oC e deve ser usado como fonte térmica numa instalação de potência a vapor d’água. A água de refrigeração do condensador é recirculada, usando-se uma torre de refrigeração, e sai da torre a 15oC. Determine o máximo rendimento desta instalação. É correto usar as temperaturas de 800oC e 15oC para este cálculo? (motor de Carnot. Sim. 0,83) 
15. Determine a fase da substância e a(s) propriedade(s) que falta(m) dentre Pressão, volume específico, Temperatura, energia interna, entalpia, entropia e o título, quando aplicável, para os seguintes estados: 
a) Nitrogênio: -53ºC e 600kPa;
b) Nitrogênio: 100K e 0,008 m3/kg 
c) Nitrogênio: 120K e h=65,0 kJ/kg 
d) Nitrogênio: 120K e 400kPa 
16. Explique como a desigualdade de Clusius pode ser usada para definir se um ciclo é reversível, irreversível ou impossível.17. Descreva os processos de um Ciclo Motor de Carnot e represente este ciclo num diagrama P-v. 
18. Uma máquina cíclica utilizada para transferir calor de um reservatório à alta temperatura para outro a baixa temperatura. Verifique se esta máquina é reversível, irreversível ou impossível se as condições de operação são as seguintes: (Apresente a justificativa) TH=1000K; TL=400K; QH=325kJ; W=200kJ; QL=125kJ. R: motor, irreversível, mas impossível. 
19. Considerando que em um conjunto cilindro-pistão está contido 1kg de amônia líquido saturado a -20ºC. O sistema é então aquecido, pela transferência de calor de um gás de combustão a 200º C, de modo que sua temperatura atinge 50º C, num processo a pressão constante. 
a) Encontre o calor transferido no processo, em kJ. 
b) Houve geração de entropia durante o processo de aquecimento da amônia? Se sim, qual o valor em kJ/K ? 
R: a) Q=1489,4kJ; b) Sim, 2,6594KJ/K 
20. Água, inicialmente no estado líquido saturado a 100ºC, está contida em um conjunto cilindro-pistão. A água é submetida a um processo que a leva ao estado correspondente de vapor saturado, durante o qual o pistão se move livremente no cilindro. Não há transferência de calor para a vizinhança. Se a mudança de estado é conseguida pela ação de um impelidor, determine o trabalho líquido por unidade de massa, em kJ/kg, e a quantidade de entropia gerada por unidade de massa, em kJ/kg.K. 
R: w=-2087,6kJ/kg e σ=6,05kJ/kg.K 
21. Uma massa de 2 kg de vapor superaquecido a 400°C e 600 kPa é resfriada a uma pressão constante, transmitindo calor de um cilindro até que o vapor seja completamente condensado. A vizinhança está a 25°C. Determine a produção de entropia em razão desse processo. sistema – Estado final à líquido saturado R: 5,9kJ/K de massa, em kJ/kg, e a quantidade de entropia gerada por unidade de massa, em kJ/kg.K. 
R: w=-2087,6kJ/kg e σ=6,05kJ/kg.K