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Disciplina: 447X - Termodinâmica Aplicada Prova: NP1-A - 2016 Professor: Marcos Noboru Arima Aluno: Matrícula: Turma: Ex. 1 (1 ponto) Considere as afirmações dos itens abaixo relativas ao conceito de Exergia. I - Durante um processo real a exergia não se conserva. Ou seja, existe destruição de exergia pela presença de irreversi- bilidades, o que leva a uma diminuição do potencial de transferência de calor. II - A exergia é uma propriedade que depende unicamente do estado termodinâmico do sistema, sem qualquer relação com sua vizinhança. III - Quando um sistema está no estado morto, ele está em equilíbrio termodinâmico com o ambiente e sua exergia é nula. IV - A exergia de um sistema em um determinado estado pode ser definida como o trabalho líquido mínimo fornecido a este sistema em um processo do estado de equilíbrio termodinâmico com o meio até o referido estado. V - A exergia de um sistema em um determinado estado pode ser definida como o trabalho líquido máximo extraído deste sistema em um processo do referido estado até o estado de equilíbrio termodinâmico com o meio. Em relação aos itens acima, assinale a alternativa correta. (a) Apenas os itens I, II e III estão corretos. (b) Apenas os itens II, III e IV estão corretos. (c) Apenas os itens III, IV e V estão corretos. (d) Apenas os itens I, III e V estão corretos. (e) Todos os itens estão corretos. 1 Ex. 2 (1 ponto) A variação de exergia entre dois estados de um sistema é dada pela seguinte equação E2 −E1 = (U2 − U1) + p0(V2 − V1)− T0(S2 − S1) + ∆EC + ∆EP Esta variação de exergia ocorre por meio de interações do tipo calor e trabalho ou pela destruição de exergia, conforme descrito pela equação de balanço de exergia: E2 −E1 = ∫ ( 1− T0 Tb ) δQ− [W − p0(V2 − V1)]− T0σ As Figuras abaixo mostram a superfície de propriedades nas coordenadas p, T e E e o respectivo mapa com as curvas de isovalores de exergia no plano T × p. O valor de exergia E = 0 está localizado no ponto p = p0 e T = T0. Considere as afirmações dos itens abaixo relativas à Exergia. I - A exergia de um sistema aumenta a medida que ele se afasta do estado morto. II - A exergia de um sistema diminui a medida que ele se aproxima do estado morto. III - A variação de exergia não pode ser negativa. IV - A variação de exergia de um sistema em equilíbrio e isolado é sempre maior que zero. V - O valor da exergia do sistema é menor que zero quando p < p0 ou T < T0. Em relação aos itens acima, assinale a alternativa correta. (a) Apenas os itens I, II e III estão corretos. (b) Apenas os itens II e IV estão corretos. (c) Apenas os itens III, IV e V estão corretos. (d) Apenas os itens I e II estão corretos. (e) Apenas os itens II e V estão corretos. 2 Ex. 3 (1 ponto) Considere um sistema composto por um gás confinado em um cilindro com pistão a pressão p = 400 kPa. Calor é fornecido ao gás por meio de um processo internamente reversível fazendo com que este expanda isobaricamente e reversivelmente de um volume inicial V1 = 2m3 para um volume final V2 = 7m3. Considerando as condições do meio como sendo T0 = 300K e p0 = 100 kPa, pergunta-se: I - Qual o valor do trabalho executado pelo sistema (Ws)? II - Qual o valor do trabalho recebido pelo meio (Wm)? III - Qual o valor do trabalho líquido fornecido pelo sistema global formado pelo gás e pelo meio (Wg)? IV - Qual o valor da transferência de exergia associada ao trabalho neste processo (Ew)? Assinale a alternativa correta (a) Ws = 500 kJ ; Wm = 2000 kJ ; Wg = 2500 kJ ; Ew = 2500 kJ . (b) Ws = −500 kJ ; Wm = 2000 kJ ; Wg = 1500 kJ ; Ew = 1500 kJ . (c) Ws = 2000 kJ ; Wm = −500 kJ ; Wg = 2500 kJ ; Ew = 1500 kJ . (d) Ws = 2000 kJ ; Wm = −500 kJ ; Wg = 1500 kJ ; Ew = 2500 kJ . (e) Ws = 2000 kJ ; Wm = −500 kJ ; Wg = 1500 kJ ; Ew = 1500 kJ . Ex. 4 (1 ponto) Considere um sistema composto por uma mistura de água e gelo a temperatura de 273K trocando calor com um meio a 300K. Assinale a alternatica correta em relação à taxa de calor recebido pelo sistema, Q˙, à taxa de transferência de exergia associada ao calor, Eq, e à taxa de variação de exergia, dE/dt, considerando o processo internamente reversível e a variação de volume desprezível. (a) Q˙ > 0; Eq > 0; dE/dt > 0. (b) Q˙ > 0; Eq < 0; dE/dt < 0. (c) Q˙ < 0; Eq < 0; dE/dt < 0. (d) Q˙ < 0; Eq > 0; dE/dt < 0. (e) Q˙ > 0; Eq < 0; dE/dt > 0. 3 Ex. 5 (2 pontos) Um aluno da UNIP recebeu a missão de comprar um conjunto de fontes de energia com o maior potencial de realização de trabalho. Para tanto, ele recebeu um orçamento de R$10.000,00 para gastar na loja “Casa da Energia”. Nesta loja ele encontrou os seguintes itens. item preço unitário [R$] Tanque com 2 kg de Ar (argônio) a temperatura de 400K e a pressão de 600 kPa abs. 47,90 Tanque com 2 kg de R134a a temperatura de 400K e a pressão de 1000 kPa abs. 120,00 Tanque com 2 kg de N2 a temperatura de 800K e a pressão de 2000 kPa abs. 528,00 Motor térmico com eficiência ηt = 80% 600,00 Conjunto biela manivela 19,00 Motor de Carnot 999,99 Cilindro com pistão 100,99 Válvula de expansão 54,00 Turbina centrífuga com eficiência ηT = 90% 202,00 Compressor centrífugo com eficiência ηC = 70% 201,00 Trocador de Calor casco tubos 149,00 Para ajudar em sua missão, o aluno da UNIP tinha disponível a seguinte tabela de propriedades termodinâmicas. Material T [K] p [kPa] v [m3/kg] u [kJ/kg] h [kJ/kg] s [kJ/(kg K)] Ar 300 100 0,624 93,6 156 3,88 400 600 0,139 124 208 3,66 R134a 300 100 0,240 402 426 1,91 400 1000 0,03 481 512 1,97 N2 300 100 0,891 222 311 6,85 800 2000 0,120 608 848 7,00 (a) Qual (Quais) produto(s) o aluno da UNIP deverá comprar para cumprir a sua missão? (b) Qual o valor total do potencial de realização de trabalho dos itens comprados? Sugestão: Adote T0 ≈ 300K e p0 ≈ 100 kPa. 4 Ex. 6 (2 pontos) A Figura ao lado apresenta o esquema de um forno petroquímico de serpen- tinas horizontais e centrais. A temperatura mé- dia dos gases longe da parede no interior deste forno é T∞1 = 1600 K, a temperatura da su- perfície da parede refratária do lado interno ao forno é Ts1 = 600K, a temperatura da superfí- cie da parede refratária do lado externo ao forno é Ts2 = 360K, a temperatura do ar ambiente ex- terno ao forno é T∞2 = 300K, e a taxa de calor perdido pelas paredes do forno para o ambiente externo é Q˙2 = −200 kW Aproximando a temperatura de referência para cálculo da exergia como sendo T0 ≈ T∞2 = 300K e considerando operação em regime per- manente para o forno, responda. (a) Qual a taxa de calor Q˙1 que a parede do forno recebe pela sua superfície interna? (b) Qual a taxa de transferência de exergia associada ao calor, E˙q1, que a parede do forno recebe pela sua superfície interna? (c) Qual a taxa de transferência de exergia associada ao calor, E˙2, que a parede do forno perde pela sua superfície externa? (d) Qual o valor do trabalho que seria produzido por um motor de Carnot instalado entre a superfície interna do forno e o ambiente externo? (e) Qual o valor da destruição de exergia na parede do forno? 5 Ex. 7 (2 pontos) Vapor a 12MPa e 600oC expande em regime permanente em uma turbina até a pressão de 40 kPa e título igual a 92%. O fluxo de massa de vapor é de 5 kg/s e ocorre uma perda de 30 kJ/kg durante este processo. Considerando variações de ener- gia cinética e potencial desprezíveis, temperatura da superfície da turbina igual a 400K e condições ambientes com T0 = 300K e p0 = 100 kPa, responda. (a) Qual a taxa e destruição de exergia na turbina? (b) Qual a taxa de transferência de Exergia associada ao calor? T p v u h s x [oC] [MPa] [ m3 kg ] [ kJ kg ] [ kJ kg ] [ kJ kgK ] [−] 600 12 0,03164 3229 3608 6,804 76 0,04 3,674 2304 2451 7,138 0,92 TURBINA qV C = −30 kJ/kg Tb = 400K W˙V C Vapor m˙1 = 5 kg/s T1 = 600oC P1 = 12MPa Vapor m˙2 = m˙1 P2 = 40 kPa x2 = 0, 92 T0 = 300K p0 = 100 kPa • 1a Lei da Termodinâmica para Volume de Controle dEV C dt = Q˙V C − W˙V C + ∑ e m˙e ( he + V 2e 2 + gze ) − ∑ s m˙s ( hs + V 2s 2 + gzs ) • Balanço de Entropia para Volume de Controle dSV C dt = ∑ e m˙ese − ∑ s m˙sss + ∑ b Q˙b Tb + σ˙ • Balanço de Exergia para Volume de Controle dEV C dt = ∑ b ( 1− T0 Tb ) Q˙b − ( W˙V C − p0 dVV C dt ) + ∑ e m˙eefe − ∑ s m˙sefs − T0σ˙ ef = (h− h0)− T0(s− s0) + V 2 2 + gz 6
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