493 NP1 B

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Disciplina: 493 - Termodinâmica Básica
Prova: NP1-B / 2016
Professor: Marcos Noboru Arima
Aluno:
Matrícula:
Turma: EM5P
Exercício 1 (1 ponto)
Considere as afirmações dos itens abaixo.
I - A realização de trabalho por um sistema contribui para o aumento da energia deste sistema.
II - O trabalho realizado por um sistema tem sinal positivo.
III - O calor recebido por um sistema tem sinal positivo.
IV - Quando um corpo é resfriado significa que a quantidade de calor contido neste corpo diminuiu.
V - O calor retirado de um sistema contribui para a redução 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 = 100 kPa e
T = 90oC
P = 9.000 kPa e
T = 303oC
P = 400 kPa e
T = 153, 6oC
T = 318oC e
v = 0, 01599m3/kg
P = 12.000 kPa e
h = 1480 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 saturado líquido comprimido líquido comprimido vapor saturado vapor superaquecido
(e) vapor saturado mistura
líquido-vapor
saturado
líquido comprimido líquido comprimido vapor superaquecido
1
Exercício 3 (1 ponto)
Um tanque rígido que armazena uma quantidade fixa de gás possui um eixo que atravessa sua parede. Na ponta do eixo
interna ao tanque existe um agitador e na ponta externa existe uma polia com uma corda enrolada conectada a um bloco
de metal de massa m = 5 kg, conforme figura abaixo. No estado inicial o eixo está travado e o bloco está a uma altura
h1 = 2m. Em um determinado instante, o eixo é destravado e o bloco de metal desce lentamente para uma altura h2 = 0m.
No processo de descida do bloco a corda é desenrolada girando a polia e os elementos solidários a ela (eixo e agitador).
Considere as seguintes definições de sistemas:
I - sistema formado apenas por tanque, gás e agitador, o eixo atravessa a fronteira do sistema;
II - sistema formado por tanque, gás, agitador, eixo, polia, corda e bloco de metal, o eixo não atravessa a fronteira do
sistema.
Considerando que a variação de energia potencial do bloco de metal, ∆EP , é calculada por ∆EP = mg(h2−h1), assinale
a alternativa que apresenta os valores corretos de trabalho e de variação de energia interna para cada um dos sistemas. Adote
o valor da aceleração da gravidade g igual a 10m/s2.
(a) ∆UI = 100 [J ]; WI = 100 [J ]; ∆UII = −100 [J ]; WII = −100 [J ].
(b) ∆UI = 0 [J ]; WI = −100 [J ]; ∆UII = 100 [J ]; WII = 0 [J ].
(c) ∆UI = 0 [J ]; WI = 100 [J ]; ∆UII = −100 [J ]; WII = 0 [J ].
(d) ∆UI = 100 [J ]; WI = −100 [J ]; ∆UII = 100 [J ]; WII = 0 [J ].
(e) ∆UI = 100 [J ]; WI = 0 [J ]; ∆UII = 0 [J ]; WII = −100 [J ].
Exercício 4 (1 ponto)
Considere uma porção de água na condição líquido-vapor saturado a pressão de 1MPa. 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, 001127m3/kg;
(b) x = 1; v = 0, 1944m3/kg;
(c) x = 0, 763; v = 0, 1486m3/kg;
(d) x = 0, 677; v = 0, 012680m3/kg;
(e) x = 0, 237; v = 0, 04697m3/kg;
2
Exercício 5 (1,5 pontos)
Um conjunto cilindro pistão contém 10 kg de água na condição vapor saturado a pressão de 1MPa. Este cilindro é resfriado
de forma que a água é condensada lentamente a pressão constante até a condição de líquido 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 pré-aquecedor de ar de uma caldeira opera em regime per-
manente com vapor d’água a pressão de 400 kPa como fluido
quente e ar a pressão de 100 kPa como fluido frio. O vapor
d’água entra no pré-aquecedor na condição de vapor saturado
e sai com título de 10%. A vazão de ar é ma = 5 kg/s e as
temperaturas do ar na entrada e na saída do pré-aquecedor são
40oC e 120oC respectivamente. As variações de energia ci-
nética e potencial neste pré-aquecedor de ar são desprezíveis,
assim como, a perda de calor para o meio ambiente. Nestas
condições, determine:
(a) a taxa de calor transferida para o ar (0,5 ponto); e
(b) a vazão mássica de vapor d’água (1 ponto);
Propriedade da água: O calor específico a pressão constante
do ar é cp = 1 kJ/(kgK).
vapor
ar
m˙v =?
m˙a = 5 kg/s
1
P1 = 400 kPa
Vap. Sat.
2
P2 = P1
x2 = 10%
3
P3 = 100 kPa
T3 = 40
oC
4
P4 = P3
T4 = 120
oC
4
Exercício 7 (3 pontos)
Ar a 100 kPa e 300K é comprimido em regime permanente até
1.500 kPa e 740K. O fluxo de massa de ar é de 2 kg/s e ocorre
uma perda de 20 kJ/kg durante este processo. Determine o trabalho
fornecido ao compressor admitindo:
• variação de energia potencial como desprezível neste pro-
cesso; e
• hipótese de gás ideal para o ar com constante
R = 0, 287 kJ/(kgK) e calor específico constante
cp = 1 kJ/(kgK), ou seja, ∆h = cp∆T mesmo para
processos não isobáricos.
COMPRESSOR
qV C = −20 kJ/kg
W˙V C =?
Ar
m˙1 = 2 kg/s
T1 = 300K
P1 = 100 kPa
V1 = 0m/s
Ar
m˙2 = m˙1
T2 = 740K
P2 = 1500 kPa
V2 = 100m/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.
6
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 24202561 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 0,1 0,001043 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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