Lista de exercício 2

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Termodinâmica 1 
Lista de Exercícios 2 
 
Problema 1 (1 ponto): 
Uma bomba de calor com refrigerante-134a como fluido de trabalho é utilizada para manter 
um espaço em 25oC, removendo calor da água geotérmica que entra no evaporador a 50oC, a 
uma taxa de 0,065kg/s, e dele sai a 40oC (veja figura abaixo). O refrigerante entra no 
evaporador a 20oC com um título de 15% e dele sai, como vapor saturado, à mesma pressão. 
Se o compressor consumir 1,2kW de potência, determine (a) a vazão mássica do refrigerante ; 
(b) a taxa de fornecimento de calor; (c) o COP; e (d) a mínima potência entregue ao 
compressor para a mesma taxa de fornecimento de calor. 
 
 
Problema 2 (0,5 ponto): 
Um aquecedor elétrico de água típico tem eficiência de 90% e custa $390,00 ao ano para 
operar ao custo unitário de eletricidade de $0,08/kWh. Um aquecedor de água típico acionado 
por uma bomba de calor tem COP de 2,2 mas custa cerca de $800,00 a mais para ser instalado. 
Determine quantos anos serão necessários para que o aquecedor de água movido a bomba de 
calor amortize a diferença de custo em função da energia que ele economiza. 
 
Problema 3 (1 pontos): 
Um engenheiro tem que projetar uma máquina capaz de elevar um peso de Mb=20kg a uma 
altura L=1m. O engenheiro projeta uma máquina térmica composta de um conjunto cilindro-
pistão cujo a área transversal é A=0,25m2 e o peso do pistão é Mp=2kg conforme a figura 
abaixo (máquina térmica desenvolvida em sala de aula). O fluido de trabalho é o ar (gás 
perfeito) com massa m=0,5kg. Considere que inicialmente a temperatura do fluido de trabalho 
é T1=300K e que a pressão atmosférica é de Patm=101325Pa. Determine a temperatura máxima 
do sistema durante ciclo e a eficiência térmica da máquina térmica. Compare com a eficiência 
com a eficiência de Carnot operando entre as temperaturas mínima e máxima do ciclo. 
 
Ar
MbMb
L
A
MP
 
 
Problema 4 (0,5 ponto): 
Um bloco de Cobre de 50kg inicialmente a 80oC é jogado em um tanque isolado que contém 
120l de água a 25oC. Determine a temperatura de equilíbrio e a variação total de entropia 
desse processo. 
 
Problema 5 (0,5 ponto): 
Ar é comprimido em regime permanente por um compressor de 5kW de 100kPa e 17oC até 
600kPa e 167oC a uma vazão de 1,6kg/min. Durante esse processo, ocorre transferência de 
calor entre o compressor e a vizinhança a 17oC. Determine: (a) a taxa de variação de entropia 
do ar durante esse processo; (b) a taxa de geração de entropia. 
 
Problema 6 (1 pontos): 
Considere uma usina de potência a vapor operando entre os limites de pressão de 10MPa e 
20kPa. Água entra na bomba na condição de líquido saturado e sai na saída da turbina na 
condição de mistura saturada com um certo título. Assuma que todo o ciclo seja reversível e 
que as perdas de calor na bomba e na turbina sejam desprezíveis. Investigue o efeito do título 
na saída da turbina sobre o trabalho líquido produzido. Para tal, varie o título na saída da 
turbina entre 0,5 e 1,0 e trace gráficos da razão entre trabalho gerado pela turbina e 
consumido pela bomba em função do título; e do trabalho líquido (ou seja a diferença entre os 
trabalhos) em função do título. Mostre os processos de bombeamento e redução de pressão 
na turbina num diagrama T x s para os títulos de 0,5 e 1,0. 
 
Problema 7 (0,5 ponto): 
Um tanque rígido isolado contém 4kg de gás argônio a 450kPa e 30oC. Uma válvula é aberta e 
o argônio escapa até que a pressão interna caia para 200kPa. Assumindo que o argônio 
remanescente no tanque tenha passado por um processo reversível e adiabático, determine a 
massa final no tanque. 
 
 
Problema 8 (0,5 ponto): 
Ar (cp=1,005kJ/kg.oC) deve ser pré-aquecido por gases de combustão quentes em um tracador 
de calor de escoamento cruzado antes de entrar em um forno. O ar entra no trocador de calor 
a 95kPa e 20oC a uma vazão de 1,6 m3/s. Os gases de combustão (cp=1,10kJ/kg.oC) entram a 
180oC e a uma vazão de 2,2 kg/s e saem a 95oC. Determine (a) a taxa de transferência de calor 
para o ar; (b) a temperatura de saída do ar; e (c) a taxa de geração de entropia. 
 
Problema 9 (0,5 ponto) 
Um bloco de ferro de massa desconhecida e a 85oC é solto em um tanque isolado que contém 
100L de água a 20oC. Ao mesmo tempo, uma roda de pás acionada por um motor de 200W é 
ativada para misturar a água. Observa-se que o equilíbrio térmico é estabelecido após 20min 
com temperatura final de 24oC, determine: (a) a massa do bloco e (b) a exergia destruída 
durante esse processo. 
 
 
Problema 10 (1 ponto) 
Um arranjo pistão-cilindro contém inicialmente 1,4kg de refrigerante-134a a 140kPa e 20oC. 
Calor é então transferido para o refrigerante, e o pistão, que está apoiado em um conjunto de 
batentes, começa a se mover quando a pressão interna atinge 180kPa. A transferência de calor 
continua até que a temperatura atinja 120oC. Considerando que a vizinhança esteja a 25oC e 
100kPa, determine (a) o trabalho realizado, (b) a transferência de calor, (c) a exergia destruída 
e (d) a eficiência de Segunda Lei desse processo. 
 
 
Problema 11 (0,5 ponto) 
Ar entra em um bocal em regime permanente a 300kPa e 87oC com uma velocidade de 50m/s 
e sai a 95kPa e 300m/s. As perdas de calor do bocal para a vizinhança a 17oC são estimadas em 
4kJ/kg. Determine (a) a temperatura de saída e (b) a exergia destruída durante o processo. 
 
Problema 12 (1 ponto) 
Ar é comprimido em regime permanente por um compressor de 8kW de 100kPa e 17oC até 
600kPa e 167oC, à vazão de 2,1kg/min. Desprezando as variações das energias cinética e 
potencial, determine (a) o aumento da exergia do ar e (b) a taxa de exergia destruída durante 
esse processo. Considere que a vizinhança esteja a 17oC. 
 
 
 
Problema 13 (0,5 ponto) 
Vapor d’água entra em uma turbina adiabática a 6MPa, 600oC e 80m/s e sai a 50kPa, 100oC e 
140m/s. Se a potência produzida pela turbina for de 5MW determine (a) a potência reversível 
e (b) a eficiência de Segunda Lei da turbina. Admita que a vizinhança esteja a 25oC. 
 
 
 
 
Problema 14 (0,5 ponto) 
Em um dinamômetro, foram medidos os seguintes valores para um motor de combustão 
interna a gasolina (poder calorífico inferior 44.000kJ/kg e densidade 0,77kg/l) com razão de 
compressão igual à 10: 
torque: 5,5 kgf.m 
rotação: 4000 rpm 
vazão de combustível: 0,12 l/min 
Compare o rendimento térmico deste motor com o de um motor de ciclo otto ideal e discuta. 
 
 
Problema 15 (0,5 ponto) 
Um ciclo Otto ideal com uma taxa de compressão de 8, poderia funcionar com ar, argônio ou 
etano como fluidos de trabalho. Qual deles apresentaria a maior eficiência térmica?