Lista - Primeira lei

Prévia do material em texto

1) Um objeto de peso 40 kN é posicionado a uma altura de 30 m acima da superfície da Terra. Para g=9,78 m/s2, determine a energia potencial gravitacional do objeto, em kJ, em relação à superfície da Terra. R: 1200 kJ
2) Um corpo cujo volume é 1,5 ft3 e cuja massa específica é 3 lb/ft3 sofre um decréscimo de energia potencial gravitacional de 500 ft.lbf. Para g=31 ft/s2, determine a variação de altura, em ft. R: 115,3 ft
3) Um objeto de massa de 10 kg, apresentando uma velocidade inicial de 500 m/s, desacelera para uma velocidade final de 100 m/s. Qual é a variação de energia cinética do objeto, em kJ? R: -1200 kJ
4) Um objeto cuja massa é de 1 lb tem velocidade de 100 ft/s. Determine
a) a velocidade final, em ft/s, se a energia cinética do objeto diminuir em 100 ft.lbf. R: 59,7 ft/s
b) a variação na elevação, em ft, associada a uma variação de 100 ft.lbf na energia potencial. Deixe g=32,0 ft/s2. R: 100,54 ft.
5) A principal força de oposição ao movimento de um veículo é a resistência ao rolamento dos pneus, Fr, dada por
Onde f é uma constante denominada coeficiente de resistência ao rolamento e W é o peso do veículo. Determine a potência, em kW, necessária para vencer a resistência ao rolamento para um caminhão pesando 322,5 kN que está movendo a 110 km/h. Adote f=0,0069. R: 68 kW
6) O comportamento analítico de um processo de compressão é ajustado pela equação na forma p.V0,91=cte. Calcule o trabalho realizado sobre o refrigerante em Btu, se em 2 momentos distintos a pressão aumenta de 112 lbf/in2 para 424 lbf/in2 quando o volume diminui de 13 in3 para 3 in3. R: -0,216 Btu
7) Meio quilo de um gás contido em uma montagem pistão-cilindro está submetido a um processo a pressão constante de 4 bar iniciando em 1=0,72 m3/kg. Para o gás como um sistema, o trabalho é -84 kJ. Determine o volume final do gás, em m3. R: 0,15 m3.
8) Um gás é comprimido de V1=0,09 m3, p1=1 bar para V2=0,03 m3 e p2=3 bar. A pressão e o volume são relacionados linearmente durante o processo. Para o gás, encontre o trabalho em kJ. R: -12 kJ.
9) Um gás se expande de um estado inicial onde p1=500 kPa e V1=0,1 m3 para um estado final onde p2= 100 kPa. A relação entre pressão e o volume durante o processo é pV=cte. Esboce o processo em um diagrama p-V e determine o trabalho, em kJ. R: 80,5 kJ.
10) O ar está submetido a dois processos em série:
- processo 1-2: compressão politrópica, com n=1,3, de p1=100 kPa, 1=0,04 m3/kg para 2=0,02 m3/kg.
- processo 2-3: processo a pressão constante até 3=1. Esboce os processos em um diagrama p-V e determine o trabalho por unidade de massa de ar, em kJ/kg. R: 1,84 kJ/kg.
11) Um gás contido dentro de uma montagem pistão-cilindro submetido a um ciclo termodinâmico, consiste em três processos:
- Processo 1-2: compressão de pV=constante de p1=1 bar, V1=1,0 m3 para V2=0,2 m3.
- Processo 2-3: expansão à pressão constante para V3=1,0 m3.
- Processo 3-1: volume constante
Determine o trabalho de cada processo e o trabalho líquido do ciclo, ambos em kJ. R: W1-2=-161 kJ, W2-3=400 kJ, W= 239 kJ.
12) Cada linha a seguir fornece informações sobre um processo em um sistema fechado. Todos os valores possuem as mesmas unidades de energia. Complete os espaços em branco na tabela.
	Processo
	Q
	W
	E1
	E2
	E
	A
	+50
	-20
	
	+50
	
	B
	+50
	+20
	+20
	
	
	C
	-40
	
	
	+60
	+20
	D
	
	-90
	
	+50
	0
	e
	+50
	
	+20
	
	-100
R: -20, +70; +50, +30; -60, +40; -90, +50; 150, -80.
13) Um sistema fechado de massa 2 kg é submetido a um processo no qual o calor é transferido com uma magnitude de 25 kJ de um sistema para sua vizinhança. A elevação do sistema aumenta em 700 m durante o processo. A energia interna específica do sistema decresce 15 kJ/kg e não há variação na energia cinética do sistema. A aceleração da gravidade é constante em g=9,6 m/s2. Determine o trabalho em kJ. R: -8,4 kJ
14) Como mostrado na figura abaixo, 5 kg de vapor contidos dentro de um conjunto pistão-cilindro passam por uma expansão do estado 1, onde a energia interna específica é u1=2709,9 kJ/kg, para o estado 2, onde u2=2659,6 kJ/kg. Durante o processo, há transferência de calor para o vapor da ordem de 80 kJ. Além disso, uma roda de pá transfere energia por trabalho para o vapor na ordem de 18,5 kJ. Não há alteração significativa na energia cinética ou potencial do vapor. Determine a transferência de energia por trabalho do vapor para o pistão durante o processo, em kJ. R: 350 kJ
15) Um gerador elétrico acoplado a um moinho de vento produz uma potência elétrica média de saída de 15 kW. A potência é utilizada para carregar uma bateria. A transferência de calor da bateria para a vizinhança ocorre a uma taxa constante de 1,8 kW. Determine, para 8 h de operação,
a) a quantidade total de energia armazenada na bateria, em kJ; R: 3,8.105 kJ
b) o valor da energia armazenada, em $, se a eletricidade custa $0,08 por kW.h. R: $8,45
16) Um sistema fechado é submetido a um processo durante o qual há transferência de energia do sistema por calor a uma taxa constante de 10 kW e a potência varia com o tempo de acordo com
Onde t o tempo, em h, e está em kW.
a) Qual é a taxa de variação de energia do sistema em t = 0,6 h, em kW? R: -5,2 kW
b) Determine a variação na energia do sistema após 2 h, em kJ. R: -2,88.104 kJ.
17) Um gás se expande em uma montagem pistão-cilindro de p1=8,2 bar, V1=0,0136 m3 para p2=3,4 bar em um processo durante o qual a relação entre a pressão e o volume é pV1,2=cte. A massa do gás é 0,138 kg. Se a energia interna específica do gás decresce em 29,8 kJ/kg durante o processo, determine a transferência de calor, em kJ. Os efeitos das energias cinética e potencial são desprezíveis. R: 3,49 kJ.
18) Um gás está contido em um tanque fechado é rígido. Um resistor elétrico no tanque transfere energia para o gás a uma taxa constante de 1000 W. A transferência de calor entre o gás e a vizinhança ocorre a uma taxa de , onde está em Watts e t é o tempo, em min.
a) Represente graficamente a taxa temporal da variação da energia do gás para 0t20 min, em Watts.
b) Determine a variação líquida na energia do gás após 20 min, em kJ. R: 600 kJ
c) se a eletricidade custa $ 0,08 por kW.h, qual o custo de eletricidade para 20 min de operação. R: $ 0,027
19) Um gás está contido em uma montagem vertical pistão-cilindro por um pistão pesando 675 lbf e uma superfície superior com área de 8 in2. A atmosfera exerce uma pressão de 14,7 lbf/in2 sobre a superfície superior do pistão. Um resistor elétrico transfere energia para o gás num total de 3 Btu. A energia interna do gás aumenta em 1 Btu, que é a única variação significativa da energia interna de todos os componentes presentes. O pistão e o cilindro são maus condutores térmicos e o atrito pode ser desprezado. Determine a variação na elevação do pistão, em ft. R: 1,96 ft.
20) A tabela a seguir fornece dados, em Btu, para um sistema submetido a um ciclo termodinâmico composto de quatro processos em série. Determine: 
a) os dados em branco da tabela
b) se o ciclo é um ciclo motor, ou um ciclo de refrigeração.
	Processo
	U
	KE
	PE
	E
	Q
	W
	1
	950
	50
	0
	
	1000
	
	2
	
	0
	50
	-450
	
	450
	3
	-650
	
	0
	-600
	
	0
	4
	200
	-100
	-50
	
	0
	
R: 1000 Btu, 0 Btu; -500 Btu, 0 Btu; 50 Btu, -600 Btu; 50 Btu, -50 btu
21) Um gás é submetido a um ciclo termodinâmico composto de três processos:
Processo 1-2: volume constante, V=0,028 m3, U2-U1=26,4 kJ
Processo 2-3: expansão com pV=constante, U3=U2
Processo 3-1: pressão constante, p=1,4 bar, W31=-10,5 kJ
Não há variações significativas na energia cinética ou potencial.
a) Desenhe o ciclo em um diagrama p-V.
b) Calcule o trabalho líquido do ciclo, em kJ. R: 8,28 kJ
c) Calcule a transferência de calor do processo 2-3, em kJ. R: 18,8 kJ
d) Calcule a transferência de calor do processo 3-1, em kJ. R: -36,9 kJ
Esse é um ciclo motor ou de refrigeração?
22) Para um ciclo motor operando, as transferências de calor são Qentrada=25000 kJ e Qsaída=15000 kJ. Determine o trabalho líquido, em kJ, e a eficiência térmica. R: 10000 kJ, 0,4
23) O trabalho líquido deum ciclo motor operando é 8.106 Btu e a transferência de calor Qsaída é 12x106 Btu. Qual é a eficiência térmica do ciclo motor? R: 0,4
24) Um ciclo motor recebe energia por transferência de calor da queima de um combustível a uma taxa de 300 MW. A eficiência térmica do ciclo é 33,3 %.
a) Determine a taxa de potência líquida desenvolvida, em MW. R: 99,9 MW
b) Para 8000 horas de operações anuais, determine o trabalho líquido em kW.h por ano. R: 7,99.108 kW.h
c) Calculando a saída do trabalho líquido a $ 0,08 por kW.h, determine o valor do trabalho líquido, em $/ano. R: $6,4.107.
25) Um ciclo de refrigeração opera com um coeficiente de desempenho β=2,5. No ciclo, Qsaída=2000 kJ. Determine Qentrada e Wciclo, ambos em kJ. R: 1429 kJ, 571,4 kJ
26) Um ciclo de bomba de calor cujo coeficiente de eficácia é 2,5 entrega energia por transferência de calor para uma residência a uma taxa de 20 kW.
a) Determine a potência líquida para operar a bomba de calor, em kW. R: 8 kW
b) Calculando a energia elétrica a $ 0,08 por kW.h, determine o custo da eletricidade em um mês quando a bomba de calor opera durante 200 horas. R: $ 128
27) Um refrigerador doméstico com um coeficiente de eficácia de 2,4 remove energia de um espaço refrigerado a uma taxa de 600 Btu/h. calculando a eletricidade em $ 0,08 por kW.h, determine o custo da eletricidade em um mês quando o refrigerador opera durante 360 horas. R: $ 2,11