Exercícios 01-05

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Uma bomba de calor é um dispositivo que transfere calor de um meio com temperatura baixa para outro com temperatura alta.
Vamos imaginar uma bomba de calor que é utilizada para atender às necessidades de aquecimento de uma casa. Nos dias em que a temperatura externa cai, estima-se uma perda de calor da casa.
O que acontece com a taxa de calor que é removido do ar frio externo? E se utilizarmos aquecedor elétrico, o que acontece?
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Escreva sua resposta no campo abaixo:
	
O que acontece com a taxa de calor que é removido do ar frio externo? A taxa de calor é reduzida, pois tem pouco calor para ser transferido.
E se utilizarmos aquecedor elétrico, o que acontece? A casa será aquecida com mais eficiência, pois será gerado um calor específico.
PADRÃO DE RESPOSTA ESPERADO
Ocorrerá a perda de calor, sendo que uma parte desse calor será entregue à casa, extraído do ar frio externo. Portanto, estamos pagando a energia que é fornecida como trabalho elétrico à bomba de calor.
Se, ao invés disso, utilizássemos um aquecedor elétrico, precisaríamos fornecer toda a perda de calor como energia elétrica para o aquecedor à resistência. Isso significaria um gasto maior com calefação.
A isso se deve a popularidade das bombas de calor como sistemas de aquecimento, bem como o motivo pelo qual elas são preferidas aos aquecedores elétricos simples, mesmo a um custo inicial consideravelmente mais alto.
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1) Qual é a diferença entre refrigeradores e bombas de calor?
a) O objetivo de um refrigerador é manter o espaço aquecido a uma temperatura alta. O objetivo de uma bomba de calor, entretanto, é manter o espaço refrigerado a uma temperatura baixa, removendo o calor desse espaço.
b) O objetivo de um refrigerador é manter o espaço refrigerado a uma temperatura baixa, removendo o calor desse espaço. O objetivo de uma bomba de calor, entretanto, é manter o espaço aquecido a uma temperatura alta.
c) O objetivo de um refrigerador é manter o espaço aquecido a uma temperatura alta. O objetivo de uma bomba de calor, entretanto, é manter o espaço refrigerado a uma temperatura baixa.
d) O objetivo de um refrigerador é manter o espaço refrigerado a uma temperatura alta, removendo o calor desse espaço. O objetivo de uma bomba de calor, entretanto, é manter o espaço aquecido a uma temperatura baixa.
e) O objetivo de um refrigerador é manter o espaço refrigerado a uma temperatura baixa, removendo o calor desse espaço. O objetivo de uma bomba de calor, entretanto, é manter o espaço aquecido a uma temperatura baixa.
2) O compartimento de alimentos de um refrigerador é mantido a 6°C por meio da remoção de calor a uma taxa de 360 kJ/min. Se a energia necessária for fornecida ao refrigerador a uma taxa de 5 kW, determine o coeficiente de performance do refrigerador.
a) 2
b) 3
c) 1,2
d) 2,5
e) 1,8
3) O compartimento de alimentos de um refrigerador é mantido a 6°C por meio da remoção de calor a uma taxa de 360 kJ/min. Se a energia necessária for fornecida ao refrigerador a uma taxa de 5 kW, determine a taxa com a qual o calor é rejeitado na sala em que está instalado o refrigerador.
a) 620 kJ/min
b) 550 kJ/min
c) 600 kJ/min
d) 660 kJ/min
e) 610 kJ/min
4) Uma bomba de calor é utilizada para atender às necessidades de aquecimento de uma casa, mantendo-a a 23°C. Nos dias em que a temperatura externa cai para dc0010°C, estima-se uma perda de calor da casa a uma taxa de 80.000 kJ/h. Considerando que a bomba de calor nessas condições tem um COP de 3, determine a potência consumida pela bomba de calor.
a) 46.666,67 kJ/h
b) 36.666,67 kJ/h
c) 26.666,67 kJ/h
d) 16.666,67 kJ/h
e) 56.666,67 kJ/h
5) Qual a diferença entre os enunciados de Kelvin-Planck e de Clausius?
a) O enunciado de Clausius fala que é impossível construir um dispositivo que funcione em um ciclo e não produza qualquer outro efeito que não seja a transferência de calor de um corpo com temperatura mais baixa para um corpo com temperatura mais alta. E o enunciado de Kelvin-Planck fala que é impossível, para qualquer dispositivo que opera em um ciclo, receber calor de um único reservatório e produzir uma quantidade líquida de trabalho.
b) O enunciado de Clausius fala que é impossível, para qualquer dispositivo que opera em um ciclo, receber calor de um único reservatório e produzir uma quantidade líquida de trabalho. E o enunciado de Kelvin-Planck fala que é impossível construir um dispositivo que funcione em um ciclo e não produza qualquer outro efeito que não seja a transferência de calor de um corpo com temperatura mais baixa para um corpo com temperatura mais alta.
c) O enunciado de Clausius fala que é impossível construir um dispositivo que funcione em um ciclo e não produza qualquer outro efeito que não seja a transferência de calor de um corpo com temperatura alta para um corpo com temperatura mais alta. E o enunciado de Kelvin-Planck fala que é impossível, para qualquer dispositivo que opera em um ciclo, receber calor de um único reservatório e produzir uma quantidade líquida de trabalho.
d) O enunciado de Clausius fala que é impossível construir um dispositivo que funcione em um ciclo e não produza qualquer outro efeito que não seja a transferência de calor de um corpo com temperatura mais baixa para um corpo com temperatura mais alta. E o enunciado de Kelvin-Planck fala que é impossível, para qualquer dispositivo que opera em um ciclo, receber calor de um único reservatório e produzir uma quantidade líquida de calor.
e) O enunciado de Clausius fala que é possível construir um dispositivo que funcione em um ciclo e não produza qualquer outro efeito que não seja a transferência de calor de um corpo com temperatura mais baixa para um corpo com temperatura mais alta. E o enunciado de Kelvin-Planck fala que é impossível, para qualquer dispositivo que opera em um ciclo, receber calor de um único reservatório e produzir uma quantidade líquida de trabalho.
Equipamentos de ar-condicionado são importantes dispositivos térmicos para a manutenção da temperatura adequada em ambientes domésticos, para manter o conforto e bem estar, e industriais, visando o arrefecimento de máquinas ou, ainda, em ambientes mistos. Estes equipamentos, apesar de necessários, geram gastos energéticos e econômicos adicionais para o orçamento mensal. Desta forma, medidas de utilização adequada e racional dos mesmos são necessárias, principalmente em momentos de crise.
Suponha que você seja o dono de uma empresa que funciona em um escritório. Neste temos vários computadores, impressoras e terminais que apresentam uma potência nominal total de 8,4 kW e 7 pessoas trabalhando, cada uma gerando 100 W de calor. Em um determinado final de semana de verão, o escritório permaneceu fechado e a temperatura do ar interior chegou a 40⁰C, enquanto o exterior esteve a 30⁰C. Ao voltar ao escritório, você liga o ar condicionado (COP de 2,8) e resfria todo o ambiente até 20⁰C em 30 minutos. A massa de ar interior ao escritório é de 800 kg (considere para o ar cV = 0,72 kJ/(kg.0C) e ar cP = 1,00 kJ/(kg.0C)).
Diante deste contexto você foi desafiado a solucionar as seguintes situações:
a) Determinar a energia consumida (kW) pelo ar-condicionado para o resfriamento, considerando que o escritório está bem vedado nas portas, janelas e demais aberturas. Considerar que nenhum equipamento, além do ar condicionado, esteja ligado e os funcionários ainda não chegaram.
b) Determinar a energia total gasta para resfriar o escritório e manter a temperatura com todos os funcionários presentes e equipamentos ligados.
c) Determinar uma medida eficiente de economia de energia nesta situação e evidenciar a sua escolha com cálculos adequados da quantidade economizada.
d) Explicar quais seriam as consequências no gasto energético caso o escritório não se apresente como um sistema bem vedado nas aberturas.
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Escreva sua resposta no campo abaixo:
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1) Um refrigerador domésticocom um COP de 1,2 remove calor a partir do espaço refrigerado a uma taxa de 60 
{kJ} over {min}
. Marque a alternativa que apresenta, respectivamente, a energia elétrica consumida pelo refrigerador e a taxa de transferência de calor para o ar de cozinha.
a) 0,83 kW e 0,83 kW
b) 50 {kJ} over {min} e 0,83 kW
c) 1,83 kW e 0,83 kW
d) 50 {kJ} over {min} e 60 {kJ} over {min}
e) 0,83 kW e 1,83 kW
COP = Ql/W
∴ 1.2 = 10³/W ⇒ W = 10³/1.2 = 833W ou 0.833 kW
Como Qh = Ql + W, de acordo com a segunda lei da termodinâmica:
Qh = 10³ + 833 = 1,833W ou 1.833kW
2) Um condicionador de ar remove o calor de forma constante a partir de uma casa a uma taxa de 750 
{kJ} over {min}
 necessitando de 6 kW de trabalho. Marque a alternativa que apresenta, respectivamente a COP de este aparelho de ar condicionado e a taxa de transferência de calor para o ar exterior .
a) 12,5 e 1110 {kJ} over {min}
b) 2,08 e 1110 {kJ} over {min}
c) 1,12 e 390 {kJ} over {min}
d) 1,25 e 390 {kJ} over {min}
e) 2,25 e 1110 
3) A água entra uma máquina de gelo a 55 ° F e deixa como gelo a 25 ° F. Se o COP da máquina de gelo é de 2,4 durante este funcionamento, determinar a entrada de energia necessária para uma produção de gelo a taxa de 28 lbm / h. ( 169 Btu de energia tem de ser removidas de cada lbm de água a 55 ° F para transformá-lo em gelo a 25 ° F ).
a) 19,720 hp
b) 0,775 hp
c) 0,028 hp
d) 1,972 hp
e) 4,462 hp
4) Marque a alternativa que apresenta, respectivamente, a COP e a taxa de rejeição de calor ao ar exterior de uma geladeira, sendo que esta remove calor a partir do compartimento de alimentação a uma taxa de 5040 {kJ} over {h}
 para cada kW de energia que consome.
a) 0,7 e 8640 {kJ} over {h}
b) 0,7 e 5040 {kJ} over {h}
c) 1,4 e 5040 {kJ} over {h}
d) 1,4 e 1440 {kJ} over {h}
e) 1,4 e 8640
5) Uma casa que foi aquecida por aquecedores com resistência elétrica consumiu 1.200 kWh de energia elétrica em um mês de inverno. Se esta casa for aquecida por uma bomba de calor que tem um COP médio de 2,4, determinar quanto dinheiro o proprietário teria economizado esse mês. Suponha um preço de R$0,50 / kWh para a eletricidade.
a) R$ 250,00
b) R$ 700,00
c) R$ 350,00
d) R$ 100,00
e) R$ 600,00