NP3 Exame Termodinâmica Aplicada Gabarito[8]

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Instituto de Ciências Exatas e Tecnológicas 
EXAME – Termodinâmica Aplicada 
Nome: 
Campus: 
Curso: Turma: 
RA: Data: 10/12/2012 
 
Instruções 
 Leia as questões antes de respondê-las. A interpretação da questão faz parte da 
avaliação. 
 É permitido o uso de lápis, borracha, caneta e calculadora científica não programável. 
 As questões deverão ser respondidas no espaço destinado às respostas. 
 Não é permitido o uso de material adicional, bem como o empréstimo de material do 
colega. 
 Todo o material restante deve ser colocado sobre o tablado na frente da sala. Qualquer 
material solto sob as carteiras será considerado irregular e a prova retirada. 
 As respostas dos exercícios devem ser com tinta azul ou preta (prova com resposta a 
lápis será corrigida normalmente, mas não dará direito à arguição quanto à 
correção). 
 Desligue o celular e observe o tempo disponível para resolução. 
 Tempo de prova: 180 minutos (tempo mínimo de permanência na sala de 60 minutos). 
 
1) A percepção de Sadi Carnot sobre a natureza do trabalho de um cientista e de um engenheiro foi notável. 
O engenheiro, em seu esforço de reduzir o consumo de combustível, por exemplo, busca a melhoria na 
qualidade de um produto minimizando as perdas, eliminando falhas e vibrações, trocando materiais e 
operações desnecessárias. Por outro lado, o cientista procura entender os princípios básicos que existem, 
mesmo que sejam teóricos, mas sempre procurando o conhecimento. Para isso, é preciso pensar nos 
processos em termos abstratos e eliminar as imperfeições da realidade, como o atrito. 
As contribuições de Carnot foram marcantes para o futuro reconhecimento da Segunda Lei e suas 
consequências. Em seus estudos sobre as máquinas térmicas, Carnot sugeriu o ciclo representado abaixo. 
 
 
 
Ao analisar o diagrama T-S acima, podemos formular as seguintes afirmações: 
I - Com o aumento de TH, permanecendo TL constante, há aumento do rendimento térmico. 
II - Diminuindo TL e ficando TH constante o rendimento térmico sofre uma diminuição. 
III - É também evidente que o rendimento térmico se aproxima de 100 % quando a temperatura absoluta na 
qual o calor é rejeitado tende para zero Celsius. 
Podemos concluir que as afirmações corretas são: 
a) Somente a I 
b) Somente a II 
c) Somente a III 
d) A I e III 
e) A I, II e III 
 
2) Irreversibilidades são inerentes de todos os processos reais, porém, para conseguirmos uma melhor 
análise dessas irreversibilidades é aconselhável estudarmos os dispositivos de maneira ideal, isto é, 
isentrópicos. Embora seja inevitável alguma transferência de calor entre esses dispositivos e a vizinhança, 
em muitos casos podemos considera-los adiabáticos quando analisados esses dispositivos em regime 
permanente. O gráfico abaixo mostra a expansão em uma turbina e os efeitos das irreversibilidades. 
 
 
Após uma analise do gráfico, conclui-se que: 
I - O parâmetro que expressa quantitativamente o quão eficiente um dispositivo real se aproxima de um 
dispositivo idealizado é a eficiência isentrópica ou adiabática. Portanto, quanto mais próximo o processo real 
seguir o processo isentrópico idealizado, melhor será o desempenho do dispositivo. 
II - Eficiência isentrópica envolve a comparação entre o desempenho real de um dispositivo e o desempenho 
que esse mesmo dispositivo teria se operasse em condições idealizadas para o mesmo estado na entrada e a 
mesma pressão na saída. 
III - A eficiência isentrópica é definida de forma única para todos os dispositivos, uma vez que cada 
dispositivo é concebido para executar um processo adiabático. 
Com base no texto e no gráfico apresentado é correto afirmar que: 
a) Os itens I e II estão corretos; 
b) Os itens I e III estão corretos; 
c) Os itens II e III estão corretos, 
d) Todos os itens estão corretos; 
e) Todos os itens estão incorretos. 
 
3) Para uma turbina operando em regime permanente, o estado de saída do fluido de trabalho e a 
pressão de descarga são fixos. Assim, o processo ideal de uma turbina adiabática é um processo isentrópico 
entre o estado de entrada e a pressão de descarga. O que se deseja de uma turbina é a produção de trabalho. 
O compressor, operando em regime permanente, recebe trabalho para elevar a pressão do fluido aos limites 
especificados. O estado do fluido que está sendo admitido no compressor e a pressão são fixos. A 
transferência de calor com a vizinhança é desprezível, assim como os efeitos das energias cinética e 
potencial. 
Para um bocal, operando em regime permanente, parte da energia cinética do fluido de trabalho, ao passar 
pelo bocal (V.C.), é dissipada devido à fricção. O objetivo dos bocais é proporcionar a variação da 
velocidade de saída. 
Com a análise do que foi descrito acima, fica fácil concluir que: 
I - A eficiência isentrópica de uma turbina é a razão entre o trabalho resultante que seria alcançado se o 
processo entre o estado de entrada e a pressão de saída fosse isentrópico e o trabalho resultante real da 
turbina. 
II – A eficiência isentrópica de um compressor é a razão entre o trabalho necessário para elevar a pressão de 
um gás até um valor especificado de forma isentrópica e o trabalho de compressão real. 
III – A eficiência Isentrópica em bocais é a razão entre a energia cinética real do fluido na saída do bocal e a 
energia cinética na saída de um bocal isentrópico para o mesmo estado de entrada e pressão de saída. 
a) Os itens I e II estão corretos; 
b) Os itens I e III estão corretos; 
c) Os itens II e III estão corretos, 
d) Todos os itens estão corretos; 
e) Todos os itens estão incorretos. 
 
4) A Usina Hidrelétrica (UHE) Três Marias, da Companhia Energética de Minas Gerais (Cemig), 
comemorou seu aniversário de 50 anos, no dia 25 de julho de 2012. A Usina está localizada na Bacia do Rio 
São Francisco, Região Norte de Minas Gerais e dispõe de seis unidades geradoras, totalizando 396 MW de 
potência instalada. É importante ressaltar que a energia gerada na UHE é renovável e limpa. O princípio 
básico de uma UHE é transformar energia cinética em energia elétrica. 
Atualmente, há uma demanda crescente por energia. Também existe uma grande preocupação com o meio 
ambiente. Países desprovidos de recursos hídricos possuem sua matriz energética baseadas em combustíveis 
fósseis ou carvão mineral, que são altamente poluentes e dispendiosos. 
O Brasil contribui de maneira significativa com o meio ambiente e isto pode ser provado de uma maneira 
bem simples. 
Suponha que a Usina Hidrelétrica (UHE) Três Marias, não fosse uma UHE, mas uma usina termoelétrica 
que utiliza diesel. Sabendo-se que: 
I- Uma usina termoelétrica a diesel tem um rendimento térmico de 40%; 
II- Para geração de energia, o consumo específico do diesel fica em torno de 0,26 litro por kW.h; 
III- O custo médio do diesel é de R$ 1,85 o litro. 
 Calcule: 
a) A quantidade de calor que deve ser fornecida à usina para a geração da potência instalada; 
b) O consumo de energia (em kW.h) para manter a usina operacional em capacidade plena; 
c) O consumo de diesel por ano; 
d) O custo do consumo de diesel por ano 
e) O custo de produção por kW.h gerado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 (
 
 
)5) Vapor entra em uma turbina com a pressão de 3,0 MPa e temperatura de 400ºC, com uma velocidade 
de 160 m/s. Vapor saturado a 100ºC sai com uma velocidade de 100 m/s. Em regime permanente a turbina 
desenvolve 540 kJ/kg de vapor. Transferência de calor entre a turbina e suas vizinhanças ocorre à 
temperatura média de superfície de 500K. Determine a taxa de produção de entropia dentro da turbina, por 
kg e vapor que escoa, em kJ/kg K. Despreze a variação de energia potencial entre a entrada e a saída. 
 
 
Resolução: 
 ̇ ̇ ∑ ̇ 
 
( 
 
 
 
 ) ∑ ̇ 
 
( 
 
 
 
 ) 
 
Mas ̇ ̇ ̇ e a energia potencial pode ser desprezada 
 
Dividimos a equação do balanço de energia pela vazão em massa. Obtemos: 
 
 
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 ∑( 
 
 
 
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Mas ̇ ̇ ̇ 
 
 
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