Exercícios Termodinâmica (lista resolvida)

Prévia do material em texto

7.3) Um refrigerador remove 1,5 kJ do espaço refrigerado usando uma entrada de 
trabalho de 1 kJ. Qual é a energia rejeitada no ambiente da cozinha? Qual é o coeficiente 
de eficácia deste refrigerador?
R: 	 CV. Geladeira. A energia QH vai para o ar da cozinha.
	 
	 	 	 Energia Eq .: 
	 Coeficiente de Eficácia: 
O lado de trás da geladeira tem 
uma grade preta que aquece o ar 
da cozinha. Outros modelos têm 
na parte inferior um ventilador 
para impulsionar o ar sobre ele.
________________________________________________________________________________
7.5) Um ar condicionado de janela é colocada em uma bancada de laboratório e testada 
no modo de resfriamento usando 750 W de energia elétrica com um coeficiente de 
eficácia de 1,75. Qual é a capacidade de energia de resfriamento e qual é o efeito líquido 
no laboratório?
 . . 
R: Definição de coeficiente de eficácia: β = QL / W
 . .
Capacidade de refrigeração: QL = β.W = 1,75 × 750 = 1313 W
 . . 
Para operação em estado estacionário, a Q.L vem do laboratório e Q.H vai para o 
 . . .
laboratório, dando uma rede ao laboratório de W = QH - QL = 750 W, isto é, aquecendo-a.
________________________________________________________________________________
7.10) Uma sala é aquecida com um aquecedor elétrico de 1500 W. Quanta energia pode 
ser economizada se uma bomba de calor com um coeficiente de eficácia de 2.0 for 
usada?
	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 .
R: Suponha que a bomba de calor tenha que fornecer 
1500 W como QH.
Bomba de calor:
Assim, a bomba de calor requer uma entrada de 750 W, poupando assim a diferença
________________________________________________________________________________
7.19) Calcule o coeficiente de eficácia do refrigerador, que utiliza R-134a fornecido no 
Exemplo 6.10.
R: Da definição
Observe que não podemos escrever
 .
como há um pequeno Q no compressor. Isso precisa ser 
considerado na equação geral de energia.
________________________________________________________________________________
7.29) Um ar-condicionado descarta 5,1 kW para o ambiente com uma entrada de energia 
de 1,5 kW. Encontre a taxa de resfriamento e o coeficiente de eficácia.
 .
R:	 Neste caso, QH = 5,1 kW vai para o ambiente
 . . .
	 Energia Eq. : QL = QH - W = 5,1 - 1,5 = 3,6 kW
7.40) Calcular a eficiência térmica de um motor térmico de ciclo Carnot operando entre 
reservatórios a 300ºC e 45ºC. Compare o resultado com o do Problema 7.18.
R: 
	 η7.18 = 0.225 (eficiência sobre ½ do Carnot)
________________________________________________________________________________
7.41) Em alguns lugares onde o ar é muito frio no inverno, como –30ºC, é possível 
encontrar uma temperatura de 13ºC abaixo do solo. Qual será a eficiência de um motor 
térmico em operação entre esses dois reservatórios térmicos?
R: 
O chão se torna a fonte quente e a atmosfera se 
torna o lado frio do motor térmico
Isso é baixo porque a modesta diferença de 
temperatura.
________________________________________________________________________________
7.42) Calcule o coeficiente de desempenho de uma bomba de calor do ciclo de Carnot 
operando entre reservatórios a 0°C e 45°C. Compare o resultado com o do Problema 
7.21.
R: 
	 Carnot:
Da solução ao problema 6.106,
CV: condensador
 
 .
Então com o trabalho como -WIN = 4,0 kW temos
Bomba de calor:
________________________________________________________________________________
7.43) Um motor térmico, que opera segundo um ciclo de Carnot, recebe 6 kW de calor 
de um reservatório térmico a 250ºC e rejeita calor num reservatório térmico a 30ºC. 
Determine a potência do motor e a taxa de transferência de calor para o reservatório 
térmico que apresenta temperatura igual a 30ºC.
R: 	 Da definição da temperatura absoluta Eq. 7,8
	 Definição da eficiência do motor de calor dá o trabalho como
	 Aplique a equação de energia
________________________________________________________________________________
7.44) Um motor de automóvel queima 5 kg de combustível (equivalente à adição de QH) 
a 1500 K e rejeita a energia do radiador e do escape a uma temperatura média de 750 K. 
Se o combustível fornecer 40 000 kJ / kg, qual a quantidade máxima de trabalho o motor 
pode fornecer?
R:	 Um motor de calor QH = m qfuel = 5 × 40000 = 200 000 kJ
	 Assuma uma eficiência Carnot (trabalho teórico máximo)
7.45) Diferenças na água superficial e na temperatura da água profunda podem ser 
utilizadas para a geração de energia. Propõe-se a construção de um motor de calor 
cíclico que irá operar perto do Havaí, onde a temperatura do oceano é de 20 ° C perto da 
superfície e 5 ° C em alguma profundidade. Qual é a possível rendimento térmica de um 
motor térmico?
R: 
Esta é uma eficiência muito baixa, por isso tem que ser feito em uma escala muito 
grande para ser economicamente viável e, em seguida, terá algum impacto ambiental.
________________________________________________________________________________
5.7) Um carro de 1.200 kg é acelerado de 30 a 50 km / h em 5 s. Quanto trabalho é esse? 
Se você continuar de 50 a 70 km / h em 5 s é o mesmo?
R:	 A entrada de trabalho é o aumento da energia cinética.
	 O segundo conjunto de condições não se torna o mesmo
5.8) Um guindaste usa 2 kW para levantar uma caixa de 100 kg a uma altura 20 m. Qual é 
o tempo necessário para realizar tal operação?
R: 
________________________________________________________________________________
5.12) Eu tenho 2 kg de água líquida a 20ºC, 100 kPa. Eu agora adiciono 20 kJ de energia 
a uma pressão constante. Quão quente fica se estiver aquecido? Quão rápido ele se 
move se for empurrado por uma força horizontal constante? Quão alto ele vai se for 
levantado para cima?
	 a) Aqueça a 100 kPa.
	 Equação de energia:
	 Voltar interpolar na Tabela B.1.1: T2 = 22,5ºC
	 (Poderíamos também ter usado ΔT = 1Q2 / mC = 20 / (2 * 4.18) = 2,4ºC)
	 b) Empurre a constante P. Ela ganha energia cinética.
	 c) Levantado em campo gravitacional
5.19) Uma força de arrasto em um carro, com área frontal A = 2 m2, dirigindo a 80 km / h 
no ar a 20ºC é Fd = 0,225 A ρairV2. Quanta potência é necessária e qual é a força de 
tração?
R: 
________________________________________________________________________________
5.20) Um guindaste hidráulico levanta um carro de 1.750 kg em uma oficina de 
automóveis. A bomba hidráulica tem uma pressão constante de 800 kPa no seu pistão. 
Qual é o aumento na energia potencial do carro e quanto volume a bomba deve deslocar 
para entregar essa quantidade de trabalho?
R: 	 C.V. Carro.
	 Nenhuma mudança na energia cinética ou interna do carro, negligencia a massa 
da talha.
O aumento na energia potencial é trabalho no carro da 
bomba em constante P.
5.21) Um movimento de pistão move um martelo de 25 kg verticalmente para baixo a 1 m 
do repouso até uma velocidade de 50 m / s em uma máquina de estampagem. Qual é a 
mudança na energia total do martelo?
R: C.V. Hammerhead
	 O martelo não altera a energia interna (ou seja, o mesmo P, T), mas tem uma 
mudança na energia cinética e potencial.
________________________________________________________________________________
5.116) Um guindaste levanta uma carga de 450 kg verticalmente com uma entrada de 
energia de 1 kW. Quão rápido o guindaste pode levantar a carga?
R: 	 Poder é força vezes taxa de deslocamento