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Lista de Exercicios 2 Primeira Lei para Volume de Controle.pdf

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a vazão mássica da água de reposição, em kg/s. 
 
 
 
	 5	
 
 
 
18. Vapor a 3 MPa e 400 °C e com fluxo volumétrico de 85 m3/min entra 
em uma turbina operando em regime permanente. Conforme 
mostrado na figura, 22% da vazão de entrada são extraídos a 0,5 
MPa, 180 °C. O restante do fluxo sai como uma mistura bifásica 
líquido-vapor a 6 kPa e título de 90%. A turbina desenvolve uma 
potência de 11.400 kW. Os efeitos da energia potencial e cinética 
podem ser desprezados. Determine: 
a. A vazão mássica do vapor em cada uma das duas saídas da 
turbina, em kg/h. 
b. O diâmetro do duto de extração, em m, se a velocidade nele é 
de 20 m/s. 
 
 
 
19. Conforme mostrado na figura, 15 kg/s de vapor entram em um 
dessuperaquecedor operando em regime permanente a 30 bar, 320 
°C, que são misturados à água líquida a 25 bar e temperatura T2 para 
produzir vapor saturado a 20 bar. A transferência de calor entre o 
dispositivo e sua vizinhança, juntamente com os efeitos das energias 
cinética e potencial, pode ser abandonada. 
Ar	úmido	
Torre	de	resfriamento	Entrada	água	quente	Ventilador	
Borrifador	
Unidade	de	ar	condicionado	
Ar	seco	
Água	de	retorno	Bomba		
Água	de	reposição	
Líquido	
Turbina	 Potência		de	saída	
	 6	
a. Se T2 = 200 °C, determine a vazão mássica de líquido 2m! , em 
kg/s. (1,88 kg/s) 
b. Esboce graficamente 2m! em kg/s, versus T2 no intervalo de 20 
a 220 °C. 
 
 
20. Fluxos separados de vapor e ar escoam ao longo do conjunto turbina-
trocador de calor mostrado na figura. Os dados da operação em 
regime permanente são mostrados na figura. A transferência de calor 
para o ambiente pode ser desprezada, assim como todos os efeitos 
das energias cinética e potencial. Determine: 
a. a) T3, em K (849 K), e 
b. b) A potência da segunda turbina, em kW. (16,213 kW) 
 
 
21. A figura mostra uma instalação de potência a vapor simples operando 
em regime permanente com água circulando nos componentes. Dados 
relevantes em posições-chave no ciclo são fornecidos na figura. A 
vazão mássica da água é de 60 kg/s. As perdas de calor e os efeitos 
das energias cinética e potencial podem ser desprezados. Determine: 
a. A eficiência térmica. (24,1%) 
b. A vazão mássica da água de resfriamento que passa pelo 
condensador, em kg/s. (2086 kg/s) 
Dessuper-aquecedor	
Vapor	saturado	Válvula	
p3	=	20	bar	
Trocador	de	calor	Entrada	de	ar	
	 7	
 
 
 
 
Nota: A eficiência térmica em uma planta a vapor se define como:
entra
líquido
entra
bombaturbina
th q
w
q
ww
=
−
=η 
 
22. O tanque rígido ilustrado na figura possui um volume de 0,06 m3 e 
inicialmente contém uma mistura bifásica líquido-vapor de H2O a uma 
pressão de 5 bar e com um título de 20%. À medida que o tanque é 
aquecido, uma válvula reguladora mantém a pressão constante no 
tanque, permitindo que o vapor saturado escape. Abandonando os 
efeitos das energias cinética e potencial: 
a. Determine a massa total no tanque, em kg, e o calor transferido, 
em kJ, se o aquecimento continua até que o título final seja de x 
= 0,5. (0,903 kg) 
b. Esboce graficamente a massa no tanque, em kg, e o calor 
transferido, em kJ, versus o título final x no intervalo entre 0,2 e 
1,0 
Bomba	
Entrada	de	potência	 Líquido	Saturado	
Saída	de	água	de	resfriamento	a	35	°C	
Entrada	de	água	de	resfriamento	a	20	°C	
Condensador	
Gerador	de	vapor	
Turbina	 Saída	de	potência	
	 8	
 
 
23. Um conjunto cilindro-pistão bem isolado é conectado a uma linha de 
alimentação de ar a 8 bar por uma válvula, conforme mostrada na 
figura seguinte. Inicialmente, o ar no interior do cilindro encontra-se a 1 
bar, 300 K, e o pistão está localizado a 0,5 m acima da base do 
cilindro. A pressão atmosférica é de 1 bar, e o diâmetro da face do 
pistão é de 0,3 m. A válvula é aberta e o ar é admitido lentamente, até 
que o volume de ar no interior do cilindro tenha dobrado. O peso do 
pistão e o atrito entre este e as paredes do cilindro podem ser 
ignorados. Usando o modelo de gás ideal, esboce graficamente a 
temperatura final, em K, e a massa final, em kg, de ar no interior do 
cilindro para temperaturas na linha de alimentação variando entre 300 
K e 500 K. 
 
 
24. Um tanque bem isolado contém 25 kg de Refrigerante 134a 
inicialmente a 300 kPa com um título de 0,8 (80%). A pressão é 
mantida pela ação de nitrogênio gasoso contra uma membrana 
flexível, conforme mostrado na figura seguinte. A válvula entre o 
tanque e a linha de alimentação que carrega Refrigerante 134a a 1,0 
MPa, 120 °C, é aberta. O regulador de pressão permite que a pressão 
Válvula	reguladora	de	pressão	
Linha	de	alimentação	de	ar:	8	bar.	
Válvula	
	 9	
no tanque permaneça a 300 kPa a medida que a membrana se 
expande. A válvula entre a linha e o tanque é fechada no instante em 
que todo o líquido se vaporizou. Determine a quantidade de 
refrigerante admitida no tanque, em kg. (9,03 kg) 
 
 
 
25. Um tanque rígido e bem isolado, cujo volume inicial é de 0,5 m3, 
encontra-se inicialmente evacuado. No tempo t = 0, ar da vizinhança a 
1 bar, 21 °C, começa a fluir para o interior do tanque. Um resistor 
elétrico transfere energia para o ar no tanque a uma taxa constante de 
100 W durante 500 s e, nesse instante, a pressão no tanque é 1 bar. 
Qual é a temperatura do ar no tanque, em °C, no instante final? 
(392,3°C) 
 
26. Um tanque de 1 m3 inicialmente contém ar a 300 kPa, 300 K. 
Lentamente o ar escapa do tanque até que a pressão baixe para 100 
kPa. O ar restante no interior do tanque sofre um processo descrito por 
teconspv tan2,1 = . Para um volume de controle que englobe o 
tanque, determine a transferência de calor em kJ. Admita 
comportamento de gás ideal com calores específicos constantes. 
(83,39 kJ) 
 
27. A parte frontal de uma turbina de avião atua como um difusor, 
recebendo ar a 900 km/h, -5°C e 50 kPa. A velocidade na seção de 
alimentação do compressor, que está montado à jusante desse 
difusor, é 80 m/s. Sabendo que a área da seção de alimentação do 
compressor é igual a 90% da área da seção de alimentação do difusor, 
determine a temperatura e a pressão na alimentação do compressor. 
(22,9 °C, 215,7 kPa) 
Válvula	reguladora	de	pressão	 Suprimento	de	nitrogênio	
Membrana	flexível	
Reservatório	
Linha:	1	MPa,	120	°C	
	 10	
 
 
 
 
28. Água líquida a 180°C e 2000 kPa é estrangulada e injetada na câmara 
de um evaporador instantâneo (“flash”) a 500 kPa. Desprezando a 
variação de energia cinética que ocorre no processo, determine as 
frações mássicas de líquido e de vapor na câmara. 
 
 
 
29. A cogeração é normalmente utilizada em processos industriais que 
utilizam vapor d’água como fonte de energia. Admita que certo 
processo requeira 5 kg/s de vapor a 0,5 MPa. Em vez de gerar esse 
insumo utilizando um conjunto bomba-caldeira, propõe-se a extração 
do suprimento de vapor necessário da turbina de alta pressão do 
aparato mostrado na figura. Determine a potencia cogerada nessa 
turbina. 
 
 
	 11	
30. O compressor de uma turbina a gás de grande porte recebe ar do 
ambiente a uma velocidade baixa e a 95 kPa e 20°C. Na saída do 
compressor, o ar está a 430°C, 1,52 MPa e à velocidade de 90 m/s. 
sabendo que a potencia de acionamento do compressor é igual a 5000 
kW, determine a vazão mássica de ar que escoa na unidade. 
 
31. Uma caldeira é alimentada com 0,005 kg/s de nitrogênio líquido a 600 
kPa. A caldeira descarrega o nitrogênio como vapor saturado a 600 
kPa e alimenta um superaquecedor, que descarrega o nitrogênio a 600 
kPa e 280 K. Determine as taxas de transferência de calor na caldeira 
e no superaquecedor. 
 
 
 
 
32. A figura mostra uma bomba hidráulica acoplada a um bocal por

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