Química ambiental e fundamentos da termodinâmica - POLI-USP-Eng. Ambiental - Lista 2 - c/ respostas

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PQI 2322 – Tópicos de Química para Engenharia Ambiental II 
PQI 3222 – Química Ambiental e Fundamentos de Termodinâmica 
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo 
Engenharia Ambiental 
2o. Semestre 2015 
Profa. Dra. Rita Maria de Brito Alves 
 
Lista de Exercícios 2 
 
1- 10 kg de ar contido em um conjunto cilindro/pistão a 5 bar e 300K expande isotermicamente até 
a pressão de 1bar. 
Determine: a) o trabalho realizado (kJ); b) a variação de energia interna do ar (kJ); c) a transferência 
de calor (kJ). Assuma que o ar comporta‐se como um gás ideal. 
Resp: a)W=‐1386 kJ; c) Q=1386 kJ 
 
2‐ Depois que o ar foi expandido no problema anterior, o pistão foi fixado na posição e calor foi 
adicionado para restaurar o ar a sua pressão original (5 bar). 
Determine: a) o trabalho realizado (kJ); b) a temperatura final (K); c) a variação de energia interna do 
ar (kJ); d) o calor transferido (kJ). 
Resp: a) W=0; b) T=1500K; c) ΔU=9950 kJ 
 
3- Um compressor é um dispositivo que admite gás a baixa pressão e o descarrega a alta pressão. 
Uma vez que este processo ocorre rapidamente comparado com transferência de calor, é 
geralmente assumido que o processo é adiabático, isto é, não há transferência de calor para ou do 
gás durante sua compressão. Assumindo que a entrada do compressor é ar (que pode ser 
considerado como um gás ideal com Cp
id = 29,3 J/(molK)) a 1 bar e 290 K e que a descarga está a 10 
bar, estime a temperatura de saída do gás e a taxa na qual trabalho é realizado sobre o gás 
(potência) para uma vazão de gás de 2,5 mol/s. 
 
4- Um tanque de aço bem isolado tendo um volume de 13 m3 contém ar a uma pressão de 1bar e 
temperatura de 22oC. Este tanque está ligado a uma linha de ar comprimido, que supre ar em 
condições estacionárias de 5 bar e 30oC. Inicialmente, o tanque está isolado da linha de ar por uma 
válvula. Se a válvula é aberta o tempo suficiente para que o ar escoe para o tanque até que a pressão 
alcance 3 bar, calcular a quantidade de ar que o tanque conterá e qual será a sua temperatura se o 
processo é adiabático. 
 
5- Água em um vaso metálico aberto será aquecido da temperatura ambiente (25oC) até 80oC, 
adicionando vapor, lentamente o suficiente para que todo o vapor condense. O vaso inicialmente 
contém 100 kg de água, e vapor é fornecido a 3,0 bar e 300oC. Quantos kg de vapor devem ser 
fornecidos de modo que a temperatura final da água no tanque seja exatamente 80oC? Despreze 
todas as perdas de calor da água nestes cálculos. 
 
6- Um tanque de mistura mostrado abaixo contém inicialmente 50kg de água a 25oC. 
Repentinamente as duas válvulas de entrada e a válvula de saída são abertas de modo que duas 
correntes de água, cada com vazão de 5kg/min, fluem para o tanque, e a única corrente de saída com 
vazão de 10kg/min deixa o tanque. A temperatura de uma das correntes de entrada é 80oC, e a d 
outra é 50oC. O tanque é bem misturado, de modo que a temperatura da corrente de saída é sempre 
a mesma da água no tanque. 
a) Calcule a temperatura em estado estacionário que finalmente será obtida no interior do 
tanque 
b) Desenvolva uma expressão para a temperatura do fluido no tanque em função do tempo. 
 
 
7- a) Uma turbina adiabática expande vapor de 500oC e 3,5 MPa a 200oC e 0,3 MPa. Se a turbina 
gera 750 kW, qual é a vazão de vapor através da turbina? b) Se uma falha no isolamento térmico da 
turbina permite uma perda de calor de 60kJ/kg de vapor e o vapor saindo da turbina está a 150oC e 
0,3 MPa, qual será a potência desenvolvida pela turbina se as condições de vapor na entrada e vazão 
permanecem inalteradas? 
 
8- Nitrogênio gasoso está sendo drenado, a uma taxa de 4,5 g/s, de um cilindro de 0,15 m3, 
inicialmente contendo o gás a pressão de 10 bar e 320 K. O cilindro não conduz calor, nem sua 
temperatura varia durante o processo de drenagem. Qual será a temperatura e a pressão do gás no 
cilindro após 5 minutos? Qual será a taxa de variação da temperatura do gás neste tempo? 
Nitrogênio pode ser considerado um gás ideal com Cp
id = 30 kJ/(molK). 
 
9- Vapor entra em um bocal convergente-divergente operando em estado estacionário com P1= 40 
bar, t1 = 400oC, e uma velocidade de 10 m/s. O vapor flui através do bocal com transferência de calor 
desprezível e não há variação de energia potencial significativa. Na saída, P2 = 15 bar, e velocidade 
de 665 m/s são atingidas. A vazão mássica é 2kg/s. Determine a área de saída do bocal, em m2. 
 
 
 
10- Vapor entra no condensador de um ciclo térmico a vapor a 0,1 bar com uma qualidade de 0,95 e 
condensado sai a 0,1 bar e 45oC. Água de resfriamento entra no condensador em uma corrente 
separada como líquido a 20oC e sai também como líquido a 35oC sem variação de pressão. 
Transferência de calor de fora do condensador e variações nas energias cinéticas e potenciais das 
correntes podem ser desprezadas. Para operação em regime permanente, determine: 
a) A razão entre a vazão mássica da água de resfriamento e a vazão mássica da corrente 
condensada 
b) A taxa de transferência de energia do vapor condensando para a água de resfriamento, em 
kJ/kg de vapor passando através do condensador.