LISTA DE EXERCÍCIOS DE TERMODINÂMICA

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LISTA DE EXERCÍCIOS DE TERMODINÂMICA 
 
1) Uma turbina descarta vapor saturado a 1 atm, com uma vazão de 1150 kg/h. 
Precisa-se de vapor superaquecido a 300 o C e 1 atm para alimentar um trocador 
de calor. Para produzi-lo, a corrente de vapor descartado pela turbina se mistura 
com vapor superaquecido proveniente de outra fonte a 400ºC e 1 atm. A unidade 
de mistura opera de forma adiabática. Abaixo é apresentado um esquema do 
processo, com os dados de entalpias específicas das correntes de alimentação e 
produto. 
 
 
 
Com base nestes dados, determine a quantidade de vapor superaquecido a 300ºC 
(em kg/h). 
 
 
2) Que potência, em KW, poderá ser gerada por uma turbina alimentada com 3600 
kg/h de vapor superaquecido a 200 KPa e 400 ºC, o qual sai da turbina a 50 KPa 
e 150 ºC ? 
 
 
3) Ao passar por uma turbina adiabática (Figura 3.2), vapor inicialmente a 500°C e 
3,5 MPa se expande até 200°C e 0,3 MPa, para gerar 750 kW. Qual deve ser a 
vazão de vapor para se atender a essa demanda? Dados: para o vapor, nas 
condições iniciais, H1 = 3450,9 kJ/kg; nas condições finais, H2 = 2865,6 kJ/kg; 
1 kW = 1 kJ/s. 
 
4) Água inicialmente a 40°C é bombeada a partir de um tanque de armazenagem a 
uma vazão de 100 kg/min e deve atingir um segundo tanque, localizado 25 m 
acima do primeiro, a 25°C (Figura 3.3). Qual deve ser a potência da bomba 
utilizada nesse transporte de água, se no caminho entre o primeiro e o segundo 
tanques ocorre uma perda de calor à taxa de 200 kJ/s? Dados: entalpia da água 
líquida: 104,89 kJ/kg a 25°C, entalpia da água líquida: 167,50 kJ/kg a 40°C. 
 
 
 
5) Um problema que muitas vezes deve ser enfrentado em engenharia é a 
interpolação de valores. Nem todos os valores de propriedades físicas estão 
tabelados, e é comum precisarmos de um valor que não está tabelado. Neste caso 
é preciso obter este valor via interpolação entre os dois valores tabelados mais 
próximos. Um exemplo desta aplicação é para vapor d’água saturado. O balanço 
de massa e energia de evaporadores pode depender da necessidade de valores 
obtidos por interpolação, especialmente quando se utiliza vapor troca térmica, ou 
quando vapor é retirado de uma mistura sendo concentrada (Figura 3.7). Calcule 
a entalpia do vapor d’água a 13 kPa que sai de um processo de concentração de 
café. Qual é a temperatura do vapor saturado nesta pressão? 
 
 
 
6) 2 Kg de água inicialmente a 160ºC e 10 bar realiza uma expansão isotérmica 
internamente reversível. Durante este processo, recebe por transferência de calor 
2700 KJ. Determine a pressão final (em bar) e o trabalho (em KJ). 
 
7) O compressor de uma grande turbina a gás recebe ar do meio a 95 kPa, 21ºC. Na 
descarga do compressor a pressão é de 0,38 MPa, a temperatura é de 130º C e a 
velocidade de 130 m/s. A potência de acionamento do compressor é de 4000 HP. 
Determinar o fluxo de ar em kg/h. 
 
8) Propõe-se aquecer uma casa usando uma bomba de calor. O calor transferido da 
casa é de 12500 kcal/h. A casa deve ser mantida a 24ºC quando a temperatura 
externa é de –7ºC. Qual a menor potência necessária para acionar a bomba? 
 
9) Um vaso contém vapor d’água a 1,5 MPa, 430ºC. Uma válvula no topo do vaso 
é aberta, permitindo o escape de vapor. Suponhamos que a qualquer instante o 
vapor que permanece no vaso sofreu um processo adiabático reversível. 
Determinar a fração de vapor que escapou quando o vapor remanescente no vaso 
for saturado seco. 
 
10) O tanque A contém, inicialmente, 5 kg de vapor d’água a 0,7 MPa, 320ºC e é 
ligado através de uma válvula a um cilindro equipado com um êmbolo sem 
atrito, como mostrado na figura abaixo. É necessária uma pressão de 0,15 MPa 
para balancear o peso do êmbolo. A válvula da conexão é aberta até que a 
pressão em A seja 0,15 MPa. Supondo que o processo seja adiabático e que o 
vapor remanescente em A tenha passado por um processo adiabático reversível, 
determine o trabalho realizado contra o êmbolo e a temperatura final do vapor 
no cilindro B. 
 
 
 
 
11) Considere o processo mostrado na figura abaixo. O tanque A é isolado, tem um 
volume de 560 litros e está cheio, inicialmente, com vapor d’água a 1,5 MPa, 
300ºC. O tanque B não é isolado, tem um volume de 280 litros e está cheio, 
inicialmente, com vapor d’água a 0,15 MPa e 200ºC. Uma válvula de conexão 
entre os dois tanques é, então, aberta e o vapor escoa de A para B até que a 
temperatura em A seja de 250ºC, quando a válvula é fechada. Durante esse 
tempo transfere-se calor de B para o meio a 27ºC, de modo que a temperatura 
em B permanece 200ºC. Pode-se assumir que o vapor remanescente em A 
passou por um processo adiabático reversível. Determinar: a) A pressão final em 
cada tanque; b) A massa final em B; c) A variação líquida de entropia para o 
processo (sistema mais vizinhança). 
 
 
 
12) Um grande tanque, com volume de 900 litros, é ligado a um tanque menor de 
300 litros. O tanque maior contém ar, inicialmente a 0,7 MPa, 20ºC e o tanque 
menor está em vácuo. Uma válvula no tubo de conexão dos dois tanques é 
subitamente aberta, e fechada quando os tubos atingem o equilíbrio de pressões. 
Pode-se admitir que o ar no tanque maior passou por um processo reversível é 
que todo o processo foi adiabático. Qual a massa final de ar no tanque menor? 
Qual a temperatura final do ar nesse tanque? 
 
13) Bombeia-se água a 27ºC de um alago para um reservatório elevado. A elevação 
média da água no reservatório é 30 m acima da superfície do lago e o volume do 
reservatório é de 36.000 litros. Inicialmente ele contém ar a 0,1 MPa, 27ºC e, 
sendo fechado, o ar é comprimido a medida que a água entra pelo fundo. A 
bomba é operada até que o reservatório tenha ¾ de seu volume cheio. As 
temperaturas do ar e da água permanecem constantes a 27ºC. Determinar o 
trabalho da bomba. 
 
14) Um ciclo de vapor Rankine como o mostrado conforme a figura abaixo 
funciona com vapor saturado saindo da caldeira (Boiler) a 3MPa e o 
condensador (Condenser) operando a 10 kPa. Qual a transferência de calor ou 
trabalho em cada componente ideal do ciclo e qual a eficiência desse ciclo? 
Resposta: Caldeira = 2609KJ/Kg; Turbina = 845,6 KJ/Kg; Condensador = 1766 
KJ/Kg; Bomba = 194,83 KJ/Kg; eficiência = 0,323. 
 
 
 
 
15) Considerando uma planta de energia solar ideal com um ciclo Rankine que usa 
água como fluido de trabalho. Vapor saturado sai do coletor solar a 175ºC e a 
pressão do condensador é 10 kPa; Qual é a eficiência térmica desse ciclo? 
Resposta: 0,261. 
 
 
 
 
16) Uma planta a vapor de um ciclo de Rankine opera conforme o ciclo abaixo. 
Sabendo que a eficiência isentrópica da turbina é de 86 %, a eficiência 
isentrópica da bomba é de 8 0% e que entalpia na saída da turbina é de 2090 
kJ/kg, determine a eficiência térmica desse ciclo. 
 
 
 
 
17) Considere um ciclo de refrigeração operando entre os limites de pressão de 0,8 
e 0,14MPa. Cada estágio opera segundo um ciclo de refrigeração por 
compressão ideal com R134a como fluido de trabalho. A rejeição de calor do 
ciclo inferior ocorre em um trocador de calor contracorrente em que ambas as 
correntes entram a 0,32MPa (na prática o fluido do ciclo inferior entra no 
trocador de calor a uma pressão e temperatura maiores para uma efetiva 
transferência de calor). Se a vazão mássica no ciclo superior é de 0,05kg/s, 
determine (a) a vazão mássica no ciclo inferior, (b) a taxa de transferência de 
calor do espaço refrigerado e a potência fornecida aos compressores e (c) o 
coeficiente de desempenho do ciclo em cascata. 
 
 
 
18) O ar condicionado de um automóvel utiliza um ciclo de refrigeração com o 
fluido refrigeranteHF-134. Os seguintes dados estão disponíveis para este ciclo: 
Ponto Estado do Fluido Temperatura (ºC) 
1 Líquido saturado 55 
2 Equilíbrio líquido/vapor 
3 Vapor saturado 5 
4 Vapor superaquecido 
 Qual o coeficiente de performance deste ciclo? (Caderno) 
 
19) O gás natural é composto principalmente de metano e é utilizado na produção 
de energia térmica e como combustível veicular. Os gasodutos que transportam 
o metano para os postos de gasolina operam a 25ºC e 250 atm. Calcule a 
densidade do metano nesta condição. Nos cálculos de volume molar do metano 
admita que o metano se comporte como: 1. Gás ideal 2. Gás real (use a equação 
de Peng-Robinson). Dados: R = 0,082 L.atm.mol-1.K-1; Temperatura crítica = 
215,5 K; Pressão crítica = 45,8 atm; Peso molecular do metano = 16,0 g/mol. 
 
20) Uma indústria farmacêutica utiliza cilindros de oxigênio para suprir este gás 
para os microorganismos confinados em um bioreator que é utilizado na 
produção de penicilina. O oxigênio é armazenado em cilindros de metal de 100 
L à temperatura de 23oC e P = 150 atm. Se um bioreator consome oxigênio a 
uma vazão de 0,25 mols por minuto, em quanto tempo o cilindro de oxigênio 
deve ser substituído por outro (utilize a equação de Redlich-Kwong e Peng-
Robinson). Dados para o oxigênio: TC = 154,6 K e PC = 49,8 atm. 
 
21) Calcule a entalpia do etano a 35 atm e 370 K usando a equação de 
RedlichKwong como equação de estado para o cálculo da entalpia. Dados para o 
etano: TC = 305,1 K; PC = 48,8 atm; PM = 30 g/mol; ΔHf (298 K) = 84586,5 J/mol 
Cp = 6,889 + 0,172 T J/mol.K. 
 
22) Calcular a fugacidade do álcool etílico em fase gasosa e em fase líquida usando 
a equação de estado de Redlich-Kwong ou Peng-Robinson. Dados: T = 100ºC; 
P = 10 atm; TC = 243,1ºC; PC = 63,1 atm. Constantes de Antoine: A = 8,1122; 
B = 1592,86; C = 226,18 com Pvap em mmHg e T em ºC. 
 
23) Vários processos industriais utilizam a mudança de fase de um ou mais 
componentes para separação de misturas, purificação de produtos, etc. As 
mudanças de fase utilizadas podem ser via fusão, sublimação, evaporação e 
ebulição dos componentes. A escolha por uma delas é feita por razões 
econômicas, por tempo de processamento necessário ou pela sensibilidade ao 
calor por parte de uma das substâncias envolvidas no processo. A água, 
considerada como solvente universal, está presente em diversos processos 
produtivos. Por ser usada muitas vezes como solvente, ou por ser um subproduto 
de uma reação química, a água geralmente deve ser removida do produto final. 
Processos de purificação como este podem ser feitos em colunas de destilação, 
colunas flash, evaporadores, entre outros. Em todas elas, um dado importante 
durante o projeto são os calores relativos à mudança de fase (calor de 
vaporização, calor de sublimação e calor de fusão). O cálculo destes calores é 
feito a partir das pressões de vapor dos componentes em várias temperaturas. 
Para a água, são disponíveis os seguintes dados de pressão de vapor: 
 
 
 
Calcule o calor de vaporização (ΔHvap), o calor de sublimação (ΔHsub) e o calor 
de fusão do gelo (ΔHfus). 
 
24) A produção de gás de síntese é um dos mais importantes processos da indústria 
química, especialmente visando a produção de hidrogênio através da reação: 
CH4 + H2O ←⎯→ CO + 3H2 
Esta reação é realizada em alta temperatura e alta pressão. Geralmente a reação 
ocorre em um reator tubular, mas em pequenas quantidades pode ser feita em um 
equipamento conhecido como caixa de equilíbrio de Van’t Hoff. Na caixa de 
Van’t Hoff, os reagentes são introduzido através de pistões e os produtos são 
retirados também por meio de pistões. Cada entrada e saída de reagentes e 
produtos contém uma membrana semi-permeável que permite apenas a 
passagem de um gás específico (Figura 6.2). 
 
 
 
Por se passar em alta temperatura e pressão, para se calcular a condição de 
equilíbrio que marca o fim da reação é necessário calcular a fugacidade dos 
componentes da reação e posteriormente calcular a energia livre de Gibbs para a 
reação obtendo-se a constante de equilíbrio da reação. Utilizando os dados das 
tabelas de vapor superaquecido, calcule a fugacidade do vapor de água a 300ºC e 
8,0 MPa, que entra no sistema de reação.