Lista P1

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TERMODINÂMICA	
  1	
  	
  -­‐	
  LISTA	
  DE	
  EXERCICIOS	
  01	
  -­‐	
  	
  P1	
  
	
  
Propriedades	
  volumétricas	
  dos	
  fluidos	
  puros	
  e	
  primeira	
  lei	
  da	
  
termodinâmica	
  para	
  sistemas	
  fechados.	
  
	
  
	
  
1. Complete	
  os	
  dados	
  apresentados	
  na	
  tabela,	
  considerando	
  a	
  água	
  como	
  
substância	
  pura:	
  
	
  
	
   Pressão	
  
(bar)	
  
Temperatura	
  
(°C)	
  
Volume	
  
específico	
  
(cm3/g)	
  
Entalpia	
  
(kJ/kg)	
  
	
  
	
  
	
  
Título	
  
A	
   	
   25	
   43.360	
   	
   	
  
B	
   0,10	
   	
   	
   191,82	
   	
  
C	
   15	
   	
   	
   	
   0,8	
  
D	
   1	
   320	
   	
   	
   	
  
E	
   100	
   	
   	
   3.625,3	
   	
  
F	
   320	
   	
   10,61	
   	
   	
  
G	
   25	
   200	
   	
   	
   	
  
	
  
	
   Pressão	
  
(psia)	
  
Temperatura	
  
(°F)	
  
Volume	
  
específico	
  
(ft3/lbm)	
  
Entalpia	
  
(Btu/lbm)	
  
Título	
  
I	
   	
   50	
   	
   1065,2	
   	
  
J	
   10	
   	
   2,00	
   	
   	
  
K	
   500	
   	
   	
   	
   1,0	
  
L	
   	
   80	
   	
   1096,4	
   	
  
M	
   10	
   400	
   	
   	
   	
  
N	
   14,7	
   	
   	
   1287,3	
   	
  
O	
   200	
   	
   3,693	
   	
   	
  
P	
  	
   700	
   1000	
   	
   	
   	
  
	
  
2. Um	
   cilindro	
   de	
   ensaio	
   com	
   volume	
   constante	
   de	
   0,1	
   L	
   contém	
   água	
   nas	
  
condições	
  do	
  ponto	
  crítico.	
  A	
  água	
  passa	
  por	
  resfriamento	
  até	
  temperatura	
  a	
  
ambiente	
  (20°C).	
  Calcular	
  a	
  transferência	
  de	
  calor	
  ocorrida	
  no	
  sistema.	
  
3. 1ft3	
  de	
  água	
  a	
  1600	
  psia	
  e	
  800°F	
  está	
  contido	
  dentro	
  de	
  um	
  tanque	
  rígido.	
  O	
  
fluido	
  é	
   resfriado	
  até	
   sua	
   temperatura	
  alcançar	
   600°F.	
  Determine	
  a	
  pressão	
  
no	
  final	
  	
  em	
  psia	
  	
  e	
  a	
  transferência	
  de	
  calor	
  	
  em	
  Btu/lbm	
  no	
  processo.	
  
	
  
4. Um	
  vaso	
  rígido	
  e	
  selado	
  tem	
  um	
  volume	
  de	
  35	
  ft3	
  e	
  contem	
  2	
  lbm	
  de	
  água	
  a	
  
200	
  °F.	
  O	
  vaso	
  é	
  então	
  aquecido.	
  	
  Se	
  uma	
  válvula	
  de	
  segurança	
  de	
  pressão	
  é	
  
instalada,	
   para	
   que	
   pressão	
   deve	
   ser	
   dimensionada	
   a	
   válvula	
   para	
   que	
   a	
  
temperatura	
  atinja	
  no	
  máximo	
  400°F?	
  Qual	
  o	
  calor	
  envolvido	
  em	
  BTU?	
  
 
5. R-­‐12	
   está	
   armazenado	
   em	
   um	
   recipiente	
   rígido	
   e	
   fechado	
   que	
   contém	
   um	
  
volume	
  de	
  40	
  ft3.	
  Inicialmente	
  há	
  uma	
  válvula	
  que	
  o	
  mantém	
  a	
  uma	
  pressão	
  
de	
   90	
   psia	
   e	
   uma	
   temperatura	
   de	
   80	
   °F.	
   Esta	
   válvula	
   possui	
   um	
   pequeno	
  
defeito	
   de	
   vedação	
   e	
   provoca	
   uma	
   despressurização	
  muito	
   lenta	
   de	
   forma	
  
isotérmica.	
   Qual	
   é	
   massa	
   de	
   R-­‐12	
   total	
   que	
   sai	
   do	
   cilindro	
   quando	
   a	
   sua	
  
pressão	
   cai	
   para	
   a	
  metade?	
   E	
   qual	
   o	
   volume	
   específico	
   do	
   R-­‐12	
   que	
   ainda	
  
ficou	
  no	
  cilindro	
  ?	
  	
  	
  
	
  
6. Uma	
  mistura	
  líquido-­‐vapor	
  de	
  água,	
  a	
  300ºC	
  tem	
  um	
  título	
  de	
  75%.	
  A	
  mistura	
  
ocupa	
   um	
   volume	
   de	
   0,05	
   m3.	
   Determine	
   as	
   massas	
   de	
   líquido	
   e	
   vapor	
  
saturados	
  presentes	
  em	
  quilograma.	
  
7. Uma	
  mistura	
   líquido-­‐vapor	
  de	
  água	
  a	
  200	
  psia,	
  possui	
  um	
  volume	
  especifico	
  
de	
  1,5	
  ft3/lbm.	
  Determine	
  o	
  volume	
  específico	
  de	
  uma	
  mistura	
  líquido-­‐vapor	
  
a	
  100	
  psia	
  com	
  o	
  mesmo	
  título.	
  
8. Um	
   sistema	
   fechado	
   consiste	
   de	
   uma	
   mistura	
   líquido-­‐vapor	
   de	
   água	
   em	
  
equilíbrio,	
  a	
  400ºF.	
  O	
  título	
  da	
  mistura	
  é	
  0,2	
  e	
  a	
  massa	
  de	
  líquido	
  presente	
  é	
  
0,1	
  lbm,	
  Determine	
  o	
  volume	
  total	
  do	
  sistema	
  em	
  ft3.	
  
9. Considere	
   a	
   Amônia	
   como	
   fluido	
   de	
   trabalho.	
   Construa	
   uma	
   tabela	
   que	
  
apresente	
  os	
  valores	
  da	
  pressão,	
  temperatura,	
  volume	
  específico	
  e	
  título	
  (se	
  
aplicável)	
  para	
  os	
  seguintes	
  dados:	
  
a. 50ºC	
  e	
  0,1185	
  m3/kg	
  
b. 50ºC	
  e	
  x	
  =	
  0,5	
  
c. Construa	
   os	
   digramas	
   p-­‐v	
   e	
   T-­‐v	
   para	
   a	
   amônia	
   e	
   posicione	
   esses	
  
estados	
  nos	
  diagramas	
  
10. 	
  Vapor	
   dágua	
   está	
   armazenado	
   em	
   um	
   reservatório	
   rígido	
   e	
   fechado.	
  
Inicialmente	
   a	
   15	
   bar	
   e	
   T	
   =	
   240ºC.	
   A	
   temperatura	
   diminui	
   para	
   20ºC	
   como	
  
resultado	
  da	
  transferência	
  de	
  calor	
  para	
  as	
  vizinhanças.	
  Determine	
  no	
  estado	
  
final::	
  
a) A	
  pressão	
  em	
  kPa	
  
b) A	
  fração	
  de	
  massa	
  total	
  que	
  se	
  condensa	
  
c) A	
  porcentagem	
  do	
  volume	
  ocupado	
  pelo	
  líquido	
  e	
  pelo	
  vapor	
  saturado	
  
	
  
11. 	
  Um	
   cilindro/pistão	
   de	
   1m3	
   contém	
   1	
   kg	
   de	
   água	
   a	
   20°C.	
   Por	
   um	
   erro	
   no	
  
processo	
  existem	
  bloqueios	
  impedindo	
  o	
  pistão	
  de	
  se	
  mover	
  enquanto	
  ocorre	
  
o	
   aquecimento	
  da	
  água	
  a	
   vapor	
   saturado.	
   Encontre	
  a	
   temperatura	
   final	
   e	
   a	
  
quantidade	
  de	
  transferência	
  de	
  calor	
  no	
  processo.	
  	
  
	
  
	
  
12. Um	
  recipiente	
  rígido	
  (fechado)	
  contém	
  água	
  no	
  estado	
  crítico.	
  Transfere-­‐se	
  
calor	
  do	
  sistema	
  até	
  que	
  a	
  pressão	
  atinja	
  300	
  lbf.in-­‐2.	
  Calcular	
  o	
  título	
  final	
  e	
  a	
  
quantidade	
  de	
  calor	
  envolvida.	
  
	
  
	
  
13. Água	
  possui	
  um	
  título	
  de	
  0,25	
  em	
  seu	
  estado	
  inicial.	
  Admitindo	
  que	
  ela	
  esteja	
  
em	
  um	
  sistema	
  fechado	
  a	
  1	
  bar,	
  pergunta-­‐se:	
  
	
  
i) qual	
  é	
  a	
  quantidade	
  de	
  calor	
  necessária	
  para	
  que	
  se	
  tenha	
  apenas	
  
vapor	
  saturado	
  em	
  um	
  processo	
  de	
  aquecimento	
  isobárico?	
  	
  
ii) qual	
   seria	
   a	
   pressão	
   máxima	
   para	
   se	
   ter	
   água	
   saturada	
   em	
   um	
  
processo	
  isovolumétrico?	
  
	
  
	
  
14. Em	
   uma	
   mistura	
   líquido-­‐vapor	
   de	
   água	
   a	
   100	
   °C,	
   sabe-­‐se	
   que	
   a	
   massa	
   de	
  
vapor	
   é	
   um	
   décimo	
   da	
  massa	
   de	
   líquido.	
   Qual	
   seria	
   a	
   quantidade	
   de	
   calor	
  
necessária	
  para	
  vaporizar	
  todo	
  o	
  líquido,	
  ou	
  seja,	
  deixar	
  a	
  água	
  na	
  forma	
  de	
  
vapor	
  saturado,	
  nesta	
  temperatura?	
  
	
  	
  	
  	
  
	
  
15. Qual	
  o	
  título	
  de	
  uma	
  mistura	
  líquido-­‐vapor	
  de	
  água	
  a	
  100°C	
  onde	
  se	
  sabe	
  queo	
  volume	
  de	
  vapor	
  é	
  trinta	
  vezes	
  maior	
  que	
  o	
  volume	
  de	
  líquido?	
  Qual	
  seria	
  a	
  
quantidade	
  de	
  calor	
  envolvida	
  para	
  vaporizar	
  o	
  restante	
  do	
  líquido?	
  
	
  
	
  
16. Um	
   vaso	
   rígido	
   contém	
   0,75	
   kg	
   de	
   água.	
   Inicialmente	
   a	
   temperatura	
   e	
   a	
  
pressão	
   são	
   iguais	
   a	
   300ºC	
   e	
   1200	
   kPa.	
   A	
   água	
   é	
   então	
   resfriada	
   até	
   que	
   a	
  
pressão	
   atinja	
   300	
   kPa.	
   Determine	
   a	
   temperatura	
   	
   no	
   estado	
   final	
   do	
  
processo,	
  o	
  trabalho	
  realizado	
  e	
  o	
  calor	
  transferido	
  no	
  processo	
  descrito.	
  
	
  	
  
	
  
17. Um	
   reservatório	
   rígido	
   e	
   estanque	
   com	
   capacidade	
   de	
   2	
   m3,	
   contém	
   R-­‐12	
  
saturado	
  a	
  10	
  °C.	
  O	
  fluido	
  é	
  então	
  aquecido	
  até	
  que	
  o	
  líquido	
  desapareça,	
  Isto	
  
acontece	
  quando	
  a	
  temperatura	
  atinge	
  50°C.	
  Qual	
  a	
  pressão	
  final	
  do	
  processo	
  
de	
  aquecimento	
  e	
  a	
  massa	
  inicial	
  de	
  líquido	
  no	
  reservatório?	
  	
  	
  	
  	
  
	
  
	
  
18. Um	
  tanque	
  rígido	
  com	
  capacidade	
  de	
  200	
  litros	
  contém	
  amônia	
  a	
  0°C	
  e	
  com	
  o	
  
título	
   igual	
  a	
  60%.	
  O	
  tanque	
  e	
  a	
  amônia	
  são	
  aquecidos	
  até	
  que	
  a	
  pressão	
  se	
  
torne	
  igual	
  a	
  1	
  MPa.	
  Determine	
  o	
  calor	
  transferido	
  neste	
  processo.	
  
	
  
19. Uma	
  panela	
  de	
  pressão	
  contém	
  água	
  a	
  100°C	
  e	
  o	
  volume	
  ocupado	
  pela	
  fase	
  
líquida	
  corresponde	
  a	
  um	
  décimo	
  do	
  volume	
  ocupado	
  pela	
  fase	
  vapor.	
  A	
  água	
  
é	
  então	
  aquecida	
  até	
  que	
  a	
  pressão	
  atinja	
  2MPa.	
  Calcule	
  a	
  temperatura	
  final	
  
do	
  processo	
  e	
  a	
  nova	
  relação	
  entre	
  os	
  volumes	
  das	
  fases.	
  
	
  	
  
	
  
20. O	
  radiador	
  de	
  um	
  sistema	
  de	
  aquecimento	
  contém	
  vapor	
  saturado	
  a	
  20	
  psia.	
  
As	
  válvulas	
  (V1)	
  e	
  (V2)	
  são	
  fechadas	
  (conforme	
  esquema),	
  aprisionado	
  0,1	
  lbm	
  
de	
  água.	
  A	
  pressão	
  cai	
  para	
  15	
  psia.	
  Calcular:	
  
	
  
a) o	
  volume	
  do	
  radiador;	
  
b) a	
  proporção	
  de	
  massa	
  de	
  líquido	
  pela	
  massa	
  de	
  vapor	
  no	
  estado	
  final;	
  
c) o	
  calor	
  liberado	
  para	
  a	
  sala	
  em	
  BTU.	
  
	
  
	
  
	
  
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
   	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  V1	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  radiador	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  V2	
  
	
  
	
  
21. Um	
  vaso	
  de	
  pressão	
  rígido	
  e	
  selado	
  é	
  destinado	
  ao	
  aquecimento	
  de	
  água.	
  O	
  
volume	
  do	
  vaso	
  é	
  1	
  m³	
  e	
  contém,	
  inicialmente	
  1	
  kg	
  de	
  água	
  saturada	
  a	
  100	
  °C.	
  
Deseja-­‐se	
   saber	
  qual	
   a	
   pressão	
  que	
   terá	
  no	
   interior	
   do	
   vaso	
  para	
  quando	
  a	
  
temperatura	
  atingir	
  200°C,	
  pois	
  esta	
  informação	
  será	
  útil	
  para	
  especificar	
  qual	
  
será	
   a	
   pressão	
   de	
   abertura	
   da	
   válvula	
   de	
   segurança	
   que	
   será	
   instalada	
   no	
  
vaso.	
  Deseja-­‐se	
  saber,	
  ainda,	
  qual	
  o	
  estado	
  que	
  a	
  água	
  terá	
  nesta	
  condição	
  de	
  
temperatura.	
  Se	
  ele	
  ainda	
  estiver	
  saturada,	
  calcule	
  o	
  seu	
  título.	
  
22. Um	
  sistema	
  cilindro-­‐pistão	
  isolado	
  contém	
  200	
  lbm	
  de	
  R-­‐12	
  a	
  90	
  psia	
  e	
  140	
  °F.	
  
A	
   pressão	
   cai	
   para	
   14,7	
   psia	
   adiabaticamente	
   (despreze	
   a	
   realização	
   de	
  
trabalho).	
   Qual	
   a	
   temperatura	
   final	
   para	
   o	
   processo	
   ?	
   Qual	
   a	
   variação	
   de	
  
volume	
  do	
  sistema	
  ?	
  
23. Deve-­‐se	
   realizar	
   uma	
   experiência	
   utilizando	
   um	
   banho	
   de	
   r-­‐12	
   líquido	
  
saturado	
  a	
  –	
  40	
  °C	
  em	
  um	
  tanque	
  fechado	
  (com	
  alguma	
  quantidade	
  de	
  vapor	
  
na	
   parte	
   superior	
   do	
   tanque).	
   Terminada	
   a	
   experiência,	
   o	
   R-­‐12	
   atinge	
   a	
  
temperatura	
  de	
  20	
  °C.	
  Se	
  a	
  pressão	
  no	
  tanque	
  não	
  deve	
  exceder	
  1	
  MPa,	
  qual	
  
deve	
   ser	
   a	
   máxima	
   percentagem	
   de	
   líquido	
   em	
   massa	
   que	
   deveria	
   ter	
   no	
  
tanque	
  nas	
  condições	
  iniciais	
  do	
  experimento?	
  
24. Dois	
   reservatórios	
   de	
   água	
   são	
   unidos	
   por	
   uma	
   válvula,	
   que	
   se	
   encontra	
  
fechada.	
   No	
   primeiro	
   reservatório	
   encontra-­‐se	
   água	
   a	
   4	
  MPa	
   e	
   400°C	
   e	
   no	
  
segundo	
  água	
  a	
  1	
  MPa	
  e	
  300°C.	
  Sabe-­‐se	
  que	
  a	
  massa	
  no	
  primeiro	
  reservatório	
  
é	
  o	
  dobro	
  da	
  massa	
  no	
  segundo.	
  Admitindo	
  que	
  quando	
  a	
  válvula	
  é	
  aberta,	
  o	
  
equilíbrio	
   é	
   atingido	
   adiabaticamente	
   e	
   que	
   a	
   pressão	
   alcança	
   2MPa,	
   qual	
  
seria	
  a	
  temperatura,	
  neste	
  equilíbrio?	
  	
  
25. Um	
  torpedo	
  (cilindro)	
  de	
  aço,	
  com	
  volume	
  de	
  0,05	
  m3,	
  contém	
  amônia	
  a	
  -­‐20°C	
  
e	
   titulo	
   de	
   20%.	
   O	
   torpedo	
   dispõe	
   de	
   uma	
   válvula	
   de	
   segurança	
   que	
   abre	
  
quando	
   a	
   pressão	
   no	
   tanque	
   atinge	
   1,4	
   MPa.	
   Se	
   o	
   torpedo	
   for	
   aquecido	
  
acidentalmeπnte,	
  qual	
  será	
  a	
  transferência	
  de	
  calor	
  até	
  o	
  instante	
  em	
  que	
  a	
  
válvula	
  se	
  abre?	
  Qual	
  será	
  a	
  temperatura	
  da	
  amônia	
  nesse	
  instante?	
  
	
  
26. Um	
   cilindro-­‐pistão	
   com	
   área	
   de	
   seção	
   transversal	
   igual	
   a	
   24,5	
   cm2,	
   que	
  
contém	
  5	
  kg	
  de	
  água.	
  Inicialmente,	
  o	
  pistão	
  se	
  encontra	
  apoiado	
  nos	
  esbarros	
  
e	
  a	
  água	
  apresenta	
  T=	
  100°C	
  e	
  o	
  título	
  igual	
  a	
  20%.	
  A	
  massa	
  do	
  pistão	
  é	
  75	
  kg	
  e	
  
a	
   pressão	
  do	
   ambiente	
   é	
   100kPa.	
   Calor	
   é	
   transferido	
   à	
   água	
   até	
   que	
   ela	
   se	
  
torne	
   vapor	
   saturado.	
   Determine	
   o	
   volume	
   inicial,	
   a	
   pressão	
   final	
   e	
   a	
  
transferência	
   de	
   calor	
   neste	
   processo.	
   Mostre,	
   também,	
   o	
   processo	
   num	
  
diagrama	
  p-­‐v.	
  
	
  
27. Considere	
   água	
   líquida	
   saturada	
   a	
   60°C.	
   Qual	
   a	
   pressão	
   necessária	
   para	
  
diminuir	
   o	
   volume	
   específicode	
   1	
   %,	
   relativamente	
   ao	
   valor	
   de	
   líquido	
  
saturado,	
  à	
  mesma	
  temperatura	
  ?	
  
28. Dois	
   tanques	
  cada	
  um	
  com	
  1	
  m3,	
   são	
  conectados	
  através	
  de	
  uma	
  tubulação	
  
com	
   válvula.	
   Inicialmente	
   o	
   tanque	
   A	
   contém	
   refrigerante	
   R-­‐134ª,	
   a	
   20°C	
   e	
  
titulo	
   igual	
   a	
   15%,	
   e	
   o	
   tanque	
  B	
   está	
   evacuado.	
  A	
   válvula	
   é	
   então	
   aberta	
   e	
  
vapor	
   saturado	
   de	
   refrigerante	
   escoa	
   para	
   o	
   tanque	
   B	
   até	
   que	
   ocorra	
   o	
  
equilíbrio	
  entre	
  as	
  pressões.	
  Admitindo	
  que	
  o	
  processo	
  ocorra	
  lentamente,	
  de	
  
modo	
   que	
   a	
   temperatura	
   se	
   mantenha	
   constante	
   e	
   igual	
   a	
   20°C,	
   calcule	
   a	
  
transferência	
  de	
  calor	
  total	
  ao	
  refrigerante	
  durante	
  o	
  processo.	
  
29. Um	
  tubo	
  de	
  vidro	
  selado	
  contém	
  vapor	
  de	
  R-­‐12	
  a	
  20	
  °F	
  para	
  realização	
  de	
  um	
  
certo	
   experimento.	
   Deseja-­‐se	
   saber	
   a	
   pressão	
   nessa	
   condição,	
   mas	
   não	
  
existem	
  meios	
  para	
  medi-­‐la,	
  pois	
  o	
  tubo	
  é	
  selado.	
  No	
  entanto,	
  quando	
  o	
  tubo	
  
é	
   resfriado	
   a	
   -­‐	
   20	
   °F,	
   observam-­‐se	
   algumas	
   poucas	
   e	
   pequenas	
   gotas	
   de	
  
líquido	
  nas	
  paredes	
  do	
  tubo	
  de	
  vidro.	
  Qual	
  a	
  pressão	
  interna	
  do	
  tubo	
  a	
  20	
  °F	
  ?	
  	
  
30. 	
  Vapor	
  saturado	
  seco	
  de	
  água	
  a	
  110	
  psia	
  (estado	
  1)	
  está	
  contido	
  em	
  cilindro	
  
com	
   pistão	
   que	
   inicialmente	
   tem	
   1	
   ft3.	
   O	
   vapor	
   é	
   resfriado	
   a	
   volume	
  
constante	
   até	
   a	
   temperatura	
   alcançar	
   300	
   °F	
   (estado	
   2).	
   O	
   sistema	
   é	
   então	
  
expandido	
   isotermicamente	
   até	
   que	
   o	
   volume	
   no	
   estado	
   3	
   é	
   duas	
   vezes	
   o	
  
valor	
  inicial.	
  Determine:	
  
a) a	
  pressão	
  no	
  estado	
  2;	
  
b) a	
  pressão	
  no	
  estado	
  3;	
  
c) 	
  a	
  variação	
  de	
  energia	
  interna	
  nos	
  dois	
  processos.