Cap1_Termo

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Universidade Federal de Santa Catarina 
Departamento de Engenharia Mecânica 
EMC 5406 – Termodinâmica Aplicada 
Prof. Jader R Barbosa Jr. 
 
Capítulo 1. Introdução à Termodinâmica Aplicada 
 
Exercícios Propostos 
 
1. Um tanque rígido, bem isolado, contém 2 kg de uma mistura saturada de líquido e 
vapor d’água a 100 kPa. Inicialmente, três quartos da massa estão na fase líquida. Um 
aquecedor a resistência elétrica é colocado no tanque, ligado e mantido em 
funcionamento até que todo o líquido do tanque evapore. Determine a variação da 
entropia do vapor d’água durante esse processo. Resposta: 8,10 kJ/K 
 
2. Um arranjo pistão-cilindro isolado contém 5 l de água líquida saturada à pressão 
constante de 150 kPa. Um aquecedor a resistência elétrica dentro do cilindro é ligado, e 
2200 kJ de energia são transferidos para o vapor d’água. Determine a variação da 
entropia da água durante esse processo. Resposta: 5,72 kJ/K 
 
3. Um bloco de ferro de 50 kg e um bloco de cobre de 20 kg, ambos inicialmente a 80ºC, 
são jogados em um lago grande que está a 15ºC. O equilíbrio térmico é estabelecido após 
algum tempo devido à transferência de calor entre os blocos e a água do lago. Determine 
a variação total de entropia desse processo. Resposta: 0,670 kJ/K 
 
4. Um tanque rígido isolado de 1,5 m3 contém 2,7 kg de dióxido de carbono a 100 kPa. 
Uma roda de pás realiza trabalho sobre o sistema até que a pressão do tanque se eleve a 
150 kPa. Determine a variação da entropia do dióxido de carbono durante esse processo. 
Considere calores específicos constantes. Resposta: 0,719 kJ/K 
 
5. Um arranjo pistão-cilindro isolado contém inicialmente 300 l de ar a 120 kPa e 17°C. 
O ar é aquecido por 15 min por um aquecedor a resistência de 200 W dentro do cilindro. 
A pressão do ar permanece constante durante o processo. Determine a variação da 
entropia do ar, assumindo (a) calores específicos constantes e (b) calores específicos 
variáveis. 
 
6. Ar é comprimido em um arranjo pistão-cilindro de 100 kPa e 17ºC até 800 kPa em um 
processo adiabático reversível. Determine a temperatura final e o trabalho realizado 
durante o processo assumindo (a) calores específicos constantes e (b) calores específicos 
variáveis para o ar. Respostas: (a) 525,3 K, 171,1 kJ/kg, (b) 522,4 K, 169,3 kJ/kg 
 
7. Um tanque rígido isolado contém 4 kg de gás argônio a 450 kPa e 30ºC. Um válvula é 
aberta e o argônio escapa até que a pressão interna caia para 200 kPa. Assumindo que o 
argônio remanescente no tanque tenha passado por um processo reversível e adiabático, 
determine a massa final no tanque. Resposta: 2,46 kg 
 
 
8. Um secador de cabelos é basicamente um duto com diâmetro constante no qual são 
colocadas algumas camadas de resistores elétricos. Um ventilador pequeno empurra o ar 
para dentro e o força a passar através dos resistores onde ele é aquecido. Se a densidade 
do ar for 1,20 kg/m3 na entrada e 1,05 kg/m3 na saída, determine o aumento percentual da 
velocidade do ar ao escoar através do secador. Resposta: 14% 
 
9. Um tanque rígido de 1 m3 inicialmente contém ar com densidade igual a 1,18 kg/m3. O 
tanque é conectado a uma linha de alimentação de alta pressão por meio de uma válvula. 
A válvula é aberta e o ar entra no tanque até que a densidade do ar no tanque suba para 
7,20 kg/m3. Determine a massa de ar que entrou no tanque. Resposta: 6,02 kg 
 
10. Refrigerante-134a entra em regime permanente em um tubo com 28 cm de diâmetro a 
200 kPa e 20°C com uma velocidade de 5 m/s. O refrigerante ganha calor à medida que 
escoa e deixa do tubo a 180 kPa e 40°C. Determine (a) a vazão volumétrica do 
refrigerante na entrada, (b) o fluxo de massa de refrigerante e (c) a velocidade e a vazão 
volumétrica na saída. Resposta: (a) 0,3079 m3/s; (b) 2,696 kg/s; (c) 0,3705 m3/s, 6,02 
m/s 
 
11. Considere um tanque de armazenamento de 300 litros utilizado em um sistema de 
aquecimento de água a energia solar, inicialmente cheio de água a 45°C. A água quente é 
retirada do tanque através de uma mangueira com 2 cm de diâmetro à velocidade média 
de 0,5 m/s, enquanto água fria entra no tanque a 20°C a uma taxa de 15 l/min. Determine 
a quantidade de água do tanque após um período de 20 minutos. Assuma que a pressão 
do tanque permaneça constante a 1 atm. Resposta: 411 kg 
 
12. Vapor d’água escoa em regime permanente através de uma turbina adiabática. As 
condições de entrada do vapor são 10 MPa, 450°C e 80 m/s e as condições de saída são 
10 kPa, título de 92% e 50 m/s. O fluxo de massa do vapor é de 12 kg/s. Determine (a) a 
variação da energia cinética, (b) a potência produzida e (c) a área de entrada da turbina. 
Respostas: (a) –1,95 kJ/kg, (b) 10,2 MW, (c) 0,00447 m2 
 
13. Uma corrente de água quente a 80°C entra em uma câmara de mistura com um fluxo 
de massa de 0,5 kg/s, onde ela é misturada com uma corrente de água fria a 20°C. Para 
que a mistura saia da câmara a 42°C, determine o fluxo de massa da corrente de água fria. 
Assuma que todas as correntes estão a uma pressão de 250 kPa. Resposta: 0,865 kg/s 
 
14. Um tanque rígido isolado de 1,5 m3 contém 2,7 kg de dióxido de carbono a 100 kPa. 
Uma roda de pás realiza trabalho sobre o sistema até que a pressão do tanque se eleve a 
150 kPa. Determine a variação da entropia do dióxido de carbono durante esse processo. 
Considere calores específicos constantes. Resposta: 0,719 kJ/K 
 
15. Gás hélio é comprimido de 90 kPa e 30ºC até 450 kPa em um processo adiabático 
reversível. Determine a temperatura final e o trabalho realizado, assumindo que o 
processo ocorre (a) em um arranjo pistão-cilindro e (b) em um compressor com 
escoamento em regime permanente. Resposta: (a) 853,4 kJ/kg; (b) 1422,3 kJ/kg. 
 
16. Ar a 800 kPa e 400°C entra em um bocal com escoamento em regime permanente 
com velocidade baixa e sai a 100 kPa. Se o ar passar por um processo de expansão 
adiabática através do bocal, qual será a velocidade máxima do ar na saída do bocal em 
m/s? Resposta: 778.5 m/s 
 
17. Considere uma usina de potência a vapor operando entre os limites de pressão de 10 
MPa e 20 kPa. Vapor d’água entra na bomba como líquido saturado e sai da turbina como 
vapor saturado. Determine a razão entre o trabalho produzido pela turbina e o trabalho 
consumido pela bomba. Assuma que todo o ciclo seja reversível e que as perdas de calor 
da bomba e da turbina sejam desprezíveis. Resposta: 206,7. 
 
18. Vapor d’água entra em uma turbina adiabática em regime permanente a 7 MPa, 
500°C e 45 m/s e sai a 100 kPa e 75 m/s. Se a potência produzida pela pela turbina for de 
5 MW e a eficiência isoentrópica for de 77% determine (a) a vazão mássica de vapor 
d’água através da turbina (b) a temperatura na saída da turbina e (c) a taxa de geração de 
entropia durante esse processo. 
 
19. Vapor d’água deve ser condensado no condensador de uma usina de potência a uma 
temperatura de 60°C com água de resfriamento de um lago próximo, a qual entra nos 
tubos do condensador a 18°C, a uma vazão de 75 kg/s e dele sai a 27°C. Assumindo que 
o condensador esteja perfeitamente isolado determine (a) a taxa de condensação do vapor 
e (b) a taxa de geração de entropia no condensador. Respostas: (a) 1,20 kg/s (b) 1,06 
kW/K 
 
20. Um trocador de calor de duplo-tubo e de parede fina, bem isolado, e com escoamento 
em correntes opostas é usado para resfriar óleo (cp = 2,20 kJ/kg.K) de 150°C até 40°C a 
uma vazão de 2 kg/s com água (cp = 4,18 kJ/kg.K) que entra a 22°C a uma vazão 1,5 
kg/s. Determine (a) a taxa de transferência de calor e (b) a taxa de geração de entropia no 
trocador de calor. 
 
21. Ar entra em um bocal em regime permanente a 280 kPa e 77°C com uma velocidade 
de 50 m/s e sai a 85 kPa e 320 m/s. As perdas de calor do bocal para a vizinhança a 20ºC 
são estimadas em 3,2 kJ/kg. Determine (a) a temperatura de saída e (b) a variação total da 
entropia desse processo. 
 
22. Água líquida a 200 kPa e 20°C é aquecida em uma câmara pela mistura com uma 
corrente de vapor d’água superaquecido a 200 kPa e 150°C.A água líquida entra na 
câmara de mistura com um vazão de 2,5 kg/s e estima-se que a câmara perca calor para o 
ambiente a 25ºC a uma taxa de 1200 kJ/min. Se a mistura sair da câmara de mistura a 200 
kPa e 60°C, determine (a) a vazão mássica de vapor superaquecido e (b) a taxa de 
geração de entropia durante o processo de mistura. Respostas: (a) 0,166 kg/s (b) 0,333 
kW/K