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LISTA – 2ª LEI DA TERMODINÂMICA
1) Ar considerado como um gás ideal expande isotermicamente a 20 °C, de um volume de 1 m3 a 2 m3. Durante esse processo, há transferência de calor do ar para a atmosfera ambiente, modelada como um grande reservatório térmico, e o ar efetua trabalho. Avalie o trabalho e a transferência de calor para o processo, em kJ/kg. Esse processo viola a segunda lei da termodinâmica? Explique. R: 58,22 kJ/kg, 58,22 kJ/kg
2) Água no interior de uma montagem pistão-cilindro esfria isotermicamente a 100 °C de vapor saturado para líquido saturado enquanto interage termicamente com sua vizinhança, a 20 °C. Determine a quantidade de calor perdida pelo sistema. O processo é reversível? Discutir. R: -2088 kJ/kg
3) Dois ciclos motores reversíveis estão organizados em série. O primeiro recebe energia por transferência de calor de um reservatório à temperatura TH e rejeita energia para um reservatório a uma temperatura intermediária T. O segundo ciclo recebe a energia rejeitada pelo primeiro ciclo à temperatura T e rejeita energia para um reservatório à temperatura Tc que é menor do que T. Deduza uma expressão para a temperatura intermediária T em função de TH e Tc quando:
a) o trabalho líquido dos dois ciclos motores for igual.
b) as eficiências térmicas dos dois ciclos motores forem iguais.
4) Os dados listados abaixo são reivindicados por um ciclo de potência operando entre dois reservatórios a 727 e 127 °C. Para cada caso, determine se os princípios de termodinâmica seriam violados.
a) QH=600 kJ, Wciclo= 200 kJ, QC=400 kJ.
b) QH=400 kJ, Wciclo=240 kJ, QC=160 kJ.
c) QH=400 kJ, Wciclo=210 kJ, QC=180 kJ.
5) Um ciclo de refrigeração que opera entre dois reservatórios recebe energia QC de um reservatório frio a TC=250 K e descarrega energia QH para um reservatório quente a TH=300 K. Para cada um dos seguintes casos determine se o ciclo de opera reversivelmente, irreversivelmente, ou é impossível:
a) QC=1000 kJ, Wciclo=400 kJ.
b) QC=1500 kJ, QH=1800 kJ.
c) QH=1500 kJ, Wciclo=200 kJ.
d) =4.
6) Um ciclo de potência opera entre um reservatório à temperatura T e um reservatório de temperatura mais baixa a 280 K. Em estado estacionário, o ciclo desenvolve 40 kW de potência, enquanto rejeita 1000 kJ/min de energia por transferência de calor para o reservatório frio. Determine o valor mínimo teórico para T, em K. R: 952 K.
7) Um ciclo de potência reversível, cuja eficiência é de 50% opera entre um reservatório a 1800 K e um reservatório a uma temperatura inferior T. Determine T, em K. R: 900 K.
8) No estado estacionário, um novo ciclo motor é reivindicado por seu inventor para desenvolver 6 hp para uma taxa de adição de calor de 400 Btu/min. Se o ciclo opera entre reservatórios a 2400 e 1000 °R, avalie essa afirmação.
9) Um ciclo motor é proposto ter uma eficiência térmica de 40% recebendo energia por transferência de calor de um vapor que se condensa de vapor saturado para líquido saturado à temperatura T e descarrega energia por transferência de calor para um lago a uma temperatura próxima de 70 °F. Determine a menor temperatura possível T, em °F, e a pressão de vapor correspondente, em lbf/in2. R: 423 °F, 319 lbf/in2.
10) Instalações de potência baseadas na conversão da diferença de temperatura dos oceanos em energia (OTEC) geram potência, através da utilização do decréscimo natural da temperatura com a profundidade da água dos oceanos. Próximo a Flórida, a temperatura da superfície do oceano é de 27 °C, enquanto a uma profundidade de 700 m a temperatura é de 7 °C. Determine a eficiência térmica máxima para qualquer ciclo de potência operando ciclo entre essas temperaturas. R: 7 %.
11) Durante janeiro, em um local no Alasca, ventos a -23 °F podem ser observados.Entretanto alguns metros abaixo do solo a temperatura mantém-se em 55 °F. Um inventor afirma ter criado um ciclo de potência que, explorando essa situação, possui uma eficiência térmica de 10%. Discuta essa afirmação.
12) Um inventor afirma ter desenvolvido um ciclo de refrigeração que requer uma potência líquida de entrada de 0,7 hp para remover 12.000 Btu/h de energia por transferência de calor de um reservatório a 0 °F e descarrega energia por transferência de calor para um reservatório a 70 °F. Não há outra forma de transferência de energia com a vizinhança e a operação é no estado estacionário. Avalie essa alegação.
13) O refrigerador representado na figura abaixo opera em estado estacionário com um coeficiente de desempenho de 4,5 e uma potência de entrada de 0,8 kW. Energia é rejeitada do refrigerador para o ambiente a 20 °C por transferência de calor por meio de serpentinas metálicas colocadas no refrigerador. Determine:
a) A taxa de energia rejeitada, em kW. R: 4,4 kW
b) a temperatura teórica mais baixa no interior do refrigerador, em K. R: 239,7 K.
14) Para cada kW da entrada de energia em um gerador de gelo em regime permanente, determine a taxa máxima em que o gelo pode ser produzido, em kg/h, a partir de água líquida a 0°C. Admita que 333 kJ/kg de energia devem ser removidos por transferência de calor para congelar água a 0°C e que a temperatura na vizinhança é de 20°C. R: 147,6 kg/h.
15) No estado estacionário, um ciclo de refrigeração remove 150 kJ/min de energia por transferência de calor de um espaço mantido a -50 °C e descarrega energia por transferência de calor para um ambiente a 15 °C. Se o coeficiente de desempenho do ciclo é de 30 % daquele de um ciclo de reversível que opera entre reservatórios térmicos e essas duas temperaturas, determine a potência de entrada do ciclo, em kW. R: 2,43 kW
16) Se a transferência de calor através das paredes e do teto de uma moradia é de 6,5.105 Btu por dia, determine a potência mínima teórica, em hp, para operar uma bomba de calor em estado estacionário entre a moradia, a 70 °F e
a) o ar exterior a 32 °F. R: 0,76 hp
b) um lago a 40 °F. R: 0,60 hp
c) o solo a 55 °F. R: 0,30 hp.
17) Uma bomba de calor operando em estado estacionário mantém uma residência a 70 °F quando a temperatura exterior é de 40 °F. A taxa de transferência de calor através das paredes e do teto é de 1300 Btu/h por grau de diferença de temperatura entre o interior e o exterior. Determine a potência mínima teórica necessária para operar a bomba de calor, em hp. R: 0,87 hp.
18) Em estado estacionário, uma bomba de calor fornece 30.000 Btu/h para manter uma moradia a 68 °F em um dia em que a temperatura externa é de 35 °F. A potência de entrada da bomba de calor é de 5 hp. Se a eletricidade custa 8 centavos por kW.h, compare o custo da operação real com o custo mínimo teórico por dia de operação. R: custo real é 7 vezes superior.
19) Em estado estacionário, um ciclo de refrigeração mantém um congelador de alimentos a 0 °F, através da remoção de energia por transferência de calor do interior a uma taxa de 2000 Btu/h. O ciclo descarrega energia por transferência de calor para a vizinhança a 72 °F. Se o custo de eletricidade é de 8 centavos por kW.h, determine o custo mínimo teórico para cada dia de operação. R: $ 0,176 
20) Uma bomba de calor com um coeficiente de desempenho de 3,8 fornece energia a uma taxa média de 75.000 kJ/h para manter um prédio a 21 °C em um dia no qual temperatura externa é de 0 °C. Se o custo de eletricidade é de 8 centavos por kW.h. Determine o custo operacional real e o custo de operação mínimo teórico, em $/dia. R: $ 10,52, $ 2,857
21) Uma bomba de calor mantém uma residência à temperatura T quando a temperatura externa é de 20°F. A taxa de transferência de calor através das paredes e do telhado é de 1500 Btu por grau de diferença na temperatura entre o interior e o exterior.
a) Se a eletricidade custa 8 cents por kW.h, represente graficamente o custo operacional mínimo teórico de cada dia de operação com T variando de 68 a 72°F.
b) Se T=70°F, represente graficamente o custo operacional mínimo teórico de cada dia de operação para um custo de eletricidade variando de 4 a 12 cents por kW.h.