493 NP1 A

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Disciplina: 493 - Termodinâmica Básica
Prova: NP1-A / 2016
Professor: Marcos Noboru Arima
Aluno:
Matrícula:
Turma: EA5P/EA4P/EP5P/EP4P
Exercício 1 (1 ponto)
Considere as afirmações dos itens abaixo.
I - A realização de trabalho por um sistema contribui para a redução da energia deste sistema.
II - O trabalho realizado por um sistema tem sinal negativo.
III - O calor recebido por um sistema tem sinal positivo.
IV - Quando um corpo é aquecido significa que a quantidade de calor contido neste corpo aumentou.
V - O calor transferido para um sistema contribui para o aumento da energia deste sistema.
Em relação às afirmações destes itens, assinale a alternativa correta.
(a) Apenas os itens I, II e III estão corretos.
(b) Apenas os itens II, III e V estão corretos.
(c) Apenas os itens I, III e V estão corretos.
(d) Apenas os itens III, IV e V estão corretos.
(e) Apenas os itens I, III e IV estão corretos.
Exercício 2 (1 ponto)
Assinale a alternativa correta em relação às fases de cada um dos estados da água especificados abaixo.
Estado da água
P = 20 kPa e
T = 90oC
P = 8.000 kPa e
T = 295oC
P = 400 kPa e
T = 133, 6oC
T = 303oC e
v = 0, 0012m3/kg
P = 11.000 kPa e
h = 2706 kJ/kg
(a) líquido comprimido mistura
líquido-vapor
saturado
vapor superaquecido vapor saturado líquido comprimido
(b) vapor superaquecido mistura
líquido-vapor
saturado
líquido comprimido líquido comprimido vapor saturado
(c) mistura
líquido-vapor
saturado
vapor saturado vapor saturado líquido comprimido vapor superaquecido
(d) vapor superaquecido líquido comprimido líquido comprimido vapor saturado vapor superaquecido
(e) vapor superaquecido mistura
líquido-vapor
saturado
líquido comprimido líquido saturado vapor saturado
1
Exercício 3 (1 ponto)
Um volume de gás armazenado em um tanque de parede rígida é aquecido por meio de resistências elétricas instaladas no
interior desta parede, conforme Figura abaixo. Estas resistências são alimentadas por uma bateria com tensão U = 12V e
corrente i = 10A. Considere as seguintes definições de fronteiras para o sistema:
I - fronteira na superfície interna da parede do tanque, sistema contendo apenas o volume de gás;
II - fronteira na superfície externa da parede do tanque, sistema contendo o volume de gás e as resistências elétricas;
Considerando que a potência elétrica, P, é calculada pela equação P = U · i, assinale a alternativa que apresenta os valores
corretos de calor e trabalho para cada um dos sistemas considerados.
(a) Q˙I = 120 [W ]; W˙I = 120 [W ]; Q˙II = −120 [W ]; W˙II = −120 [W ].
(b) Q˙I = 0 [W ]; W˙I = −120 [W ]; Q˙II = 120 [W ]; W˙II = 0 [W ].
(c) Q˙I = 0 [W ]; W˙I = 120 [W ]; Q˙II = −120 [W ]; W˙II = 0 [W ].
(d) Q˙I = 0 [W ]; W˙I = 0 [W ]; Q˙II = 120 [W ]; W˙II = −120 [W ].
(e) Q˙I = 120 [W ]; W˙I = 0 [W ]; Q˙II = 0 [W ]; W˙II = −120 [W ].
Exercício 4 (1 ponto)
Considere uma porção de água na condição líquido-vapor saturado a pressão de 10MPa. Considerando que a entalpia desta
mistura seja h = 2300 kJ/kg, assinale a alternativa com os valores corretos de título e volume específico desta mistura.
(a) x = 0; v = 0, 001452m3/kg;
(b) x = 1; v = 0, 01803m3/kg;
(c) x = 0, 677; v = 0, 001452m3/kg;
(d) x = 0, 677; v = 0, 012680m3/kg;
(e) x = 0, 323; v = 0.00680m3/kg;
2
Exercício 5 (1,5 pontos)
Um conjunto cilindro pistão contém 10 kg de água na condição líquido saturado a pressão de 1MPa. Este cilindro é
aquecido de forma que a água é vaporizada lentamente a pressão constante até a condição de vapor saturado. Para este
processo, responda:
(a) Qual a variação de energia interna da água em [kJ ]? (0,5 ponto)
(b) Qual o valor do trabalho deste processo em [kJ ]? (0,5 ponto)
(c) Qual o valor do calor deste processo em [kJ ]? (0,5 ponto)
3
Exercício 6 (1,5 pontos)
O condensador de uma instalação de potência opera em regime
permanente com vapor d’água a pressão 20 kPa, e com água
de resfriamento a pressão de 100 kPa e vazão de 100 kg/s.
O vapor d’água entra no condensador com título igual a 90%
e sai na condição de líquido saturado, e as temperaturas de
entrada e de saída da água de resfriamento são 25oC e 50oC
respectivamente. As variações de energia cinética e potencial
neste condensador são desprezíveis, assim como, a perda de
calor para o meio ambiente. Nestas condições, determine:
(a) a taxa de calor transferida para a água de resfriamento (0,5
ponto);
(b) a entalpia do vapor d’água na entrada do condensador (0,5
ponto);
(c) a vazão mássica de vapor d’água (0,5 ponto);
Propriedade da água: O calor específico a pressão constante
da água é cp = 4, 18 kJ/(kgK).
a´gua
vapor
m˙a = 100 kg/s
m˙v =?
1
T1 = 25
oC
P1 = 100 kPa
2
T2 = 50
oC
P2 = P1
3
P3 = 20 kPa
x3 = 90%
4
P4 = P3
Liq. Sat.
4
Exercício 7 (3 pontos)
Ar a 1000 kPa e 1200K expande em regime permanente em uma
turbina até 117 kPa e 705K. O fluxo de massa de ar é de 0,1 kg/s
e ocorre uma perda de 20 kJ/kg durante este processo. O valor da
velocidade do ar na entrada da turbina é 100m/s e na saída é des-
prezível. Determine o trabalho fornecido pela turbina em [kW ] con-
siderando:
• variação de energia potencial nula neste processo; e
• ar como gás ideal com constante R = 0, 287 kJ/(kgK) e
calor específico cp = 1 kJ/(kgK) constante, ou seja, ∆h =
cp∆T mesmo em processos não isobáricos.
TURBINA
qV C = −20 kJ/kg
W˙V C =?
Ar
m˙1 = 0, 1 kg/s
T1 = 1.200K
P1 = 1.000 kPa
V1 = 100m/s
Ar
m˙2 = m˙1
T2 = 705K
P2 = 117 kPa
V2 = 0m/s
5
Primeira Lei da Termodinâmica para Sistema:
U2 − U1 = Q1,2 −W1,2
Trabalho de um sistema em um processo isobário:
W1,2 = P (V2 − V1)
Definição de título: x = mvapor/mtotal
Definição de volume específico: v = V/m
Definição de entalpia: h , u + Pv
Equação de Estado dos gases perfeitos: Pv = RT
Componentes da energia para um sistema compressível
simples
E = U +
mV2
2
+ mgz
Cálculo de propriedades na região de saturação:
v = (1− x) · vliq + x · vvap
u = (1− x) · uliq + x · uvap
h = (1− x) · hliq + x · hvap
s = (1− x) · sliq + x · svap
Calor específico a pressão constante: cp ,
(
∂H
∂T
)
P=cte
≈ ∆H
∆T
Calor específico a volume constante: cv ,
(
∂U
∂T
)
P=cte
≈ ∆U
∆T
Primeira Lei da Termodinâmica para Volume de Controle:
EV C
dt
= Q˙V C − W˙V C +
∑
e
m˙e
(
he +
V2e
2
+ gze
)
−
∑
s
m˙s
(
hs +
V2s
2
+ gzs
)
Superfície P em função de v e T .
Diagrama P − v. Diagrama T − v.
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Tabela de vapor d’água superaquecido.
T P v u h s
oC MPa
m3
kg
kJ
kg
kJ
kg
kJ
(kgK)
400 8 0,03432 2864 3138 6,363
450 8 0,03817 2967 3272 6,555
500 8 0,04175 3064 3398 6,724
550 8 0,04516 3160 3521 6,878
600 8 0,04845 3254 3642 7,021
400 9 0,02993 2848 3118 6,285
450 9 0,0335 2955 3257 6,484
500 9 0,03677 3055 3386 6,657
550 9 0,03987 3152 3511 6,814
600 9 0,04285 3248 3634 6,959
400 10 0,02641 2832 3096 6,212
450 10 0,02975 2943 3241 6,419
500 10 0,03279 3046 3374 6,597
550 10 0,03564 3145 3501 6,756
600 10 0,03837 3242 3625 6,903
400 11 0,02351 2816 3074 6,142
450 11 0,02668 2931 3225 6,358
500 11 0,02952 3036 3361 6,54
550 11 0,03217 3137 3491 6,703
600 11 0,0347 3235 3617 6,851
400 12 0,02108 2798 3051 6,075
450 12 0,02412 2919 3208 6,3
500 12 0,0268 3027 3348 6,487
550 12 0,02929 3129 3480 6,653
600 12 0,03164 3229 3608 6,804
Propriedades da água: mistura líquido-vapor saturado.
T P v u h s x
oC MPa
m3
kg
kJ
kg
kJ
kg
kJ
(kgK)
[−]
33 0,005 0,001005 137,8 137,8 0,4763 0
33 0,005 28,19 2420 2561 8,395 1
46 0,01 0,00101 191,8 191,8 0,6492 0
46 0,01 14,67 2438 2585 8,15 1
54 0,015 0,001014 225,9 225,9 0,7548 0
54 0,015 10,02 2449 2599 8,008 1
60 0,02 0,001017 251,4 251,4 0,8319 0
60 0,02 7,649 2457 2610 7,908 1
99,62 0,10,001043 417,3 417,4 1,303 0
99,62 0,1 1,694 2506 2675 7,359 1
143,6 0,4 0,001084 604,3 604,7 1,777 0
143,6 0,4 0,4625 2554 2739 6,896 1
160 0,6178 0,001102 674,9 675,5 1,943 0
160 0,6178 0,3071 2568 2758 6,75 1
179,9 1 0,001127 761,7 762,8 2,139 0
179,9 1 0,1944 2584 2778 6,586 1
213,1 2,028 0,001178 909,5 911,9 2,454 0
213,1 2,028 0,0983 2600 2800 6,336 1
295 8 0,001384 1306 1317 3,207 0
295 8 0,02352 2570 2758 5,743 1
300 8,581 0,001404 1332 1344 3,253 0
300 8,581 0,02167 2563 2749 5,704 1
303 9 0,001418 1350 1363 3,286 0
303 9 0,02048 2558 2742 5,677 1
311,1 10 0,001452 1393 1408 3,36 0
311,1 10 0,01803 2544 2725 5,614 1
318 11 0,001489 1434 1450 3,429 0
318 11 0,01599 2530 2706 5,553 1
325 12 0,001527 1473 1491 3,496 0
325 12 0,01426 2514 2685 5,492 1
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