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Sistemas Mecânicos
Exercícios
Assunto 1 - 
Exercicos
1. Um aquecedor com uma potência de 4 kW foi utilizado em um processo de aquecimento de água por 2 horas para elevar a temperatura da água ao nível desejado. A quantidade de energia elétrica usada em kWh e kJ, respectivamente, foi de:
Potência do aquecedor (P): P = 4kW
Tempo de aquecimento (t): t = 2h
E = P x t
Energia em kWh: E = 4kW x 2h
E = 8kWh
Energia em kJ: E = 4000W x 2h x 3600s/h
E = 2,88 x 107J
1kJ = 103J
1J = 10-3kJ
E = 2,88 x 107J x 10-3 kJ/JM
E = 2,88 x 104J
2)O tanque de gasolina de um carro é completado com um bocal que descarrega gasolina a uma vazão constante. Com base nas unidades de grandezas físicas, obtenha uma expressão para o tempo de enchimento, considerando o volume V do tanque (em L) e da taxa de descarga de gasolina  (em L/s).
3)  Para encher com água uma piscina de volume V (em m3), será utilizada uma mangueira de diâmetro D (em m). Considerando que a velocidade média de descarga é v (em m/s) e o tempo de enchimento é t (em s), a expressão para o volume da piscina será:
O calor específico a pressão constante do ar a 25 °C é 1,005 kJ/(kg·°C). A expressão correta deste valor em kJ/(kg·K), J/(g·°C) e kcal/(kg·°C) é:
Transformando de 1,005 kJ/(kg·°C) para kJ/(kg·K)
Neste caso o valor específico não muda, uma vez que a variação de temperatura em Celsius é igual a variação em Kelvin.
1,005 kJ/(kg·°C)=1,005 kJ/(kg·K)
Transformando de 1,005 kJ/(kg·°C) para J/(g·°C)
Se 1kJ = 1000 J e 1kg = 1000g, substituindo tem-se:
= 1,005kJ/kg.℃
= 1,005x1000J/1000g.℃
= 1,005 J/g.℃
Transformando de 1,005 kJ/(kg·°C) para kcal/(kg·°C)
Se
1cal=4,18J
1cal/4,18=J
J=0,239 cal
substituindo tem-se:
= 1,005kJ/kg.℃
= (1,005KJx0,239cal/J)/Kg.℃ (corta-se J com J e fica Kcal)
= 0,240Kcal/kg.℃
5) . Marque a alternativa correta para a massa e o peso do ar, respectivamente, contido em uma sala cujas dimensões são 6 m X 6 m X 8 m. Suponha que a densidade do ar seja de 1,16 kg/m3.
Dimensões da sala: 6 m x 6 m x 8 m
Cálculo do volume da sala: V = 6 m x 6 m x 8 m
V = 288 m3
Densidade do ar: d = 1,16 kg/m3
Cálculo da massa de ar na sala:
m = d x V = 1,16 kg/m3 x 288 m3
m = 334,08 kg
Cálculo do peso de ar na sala:
P = m x g = 334,08 kg x 9,81 m/s2
P = 3277,32 N
Assunto 2 Lei zero da termodinâmica: a temperatura e o equilíbrio
1. Considere um rio escoando em direção a um lago com uma velocidade média de 3 m/s a uma vazão de 500 m3/s em um local 90 m acima da superfície do lago. Marque a alternativa que apresenta, respectivamente, a energia mecânica total da água do rio por unidade de massa e o potencial para geração de potência do rio naquele local.
d) 886,5 J/kg e 443,2 MW
2)  
Uma sala de aula para 40 pessoas deve ser climatizada por meio de aparelhos de condicionamento de ar com capacidade de resfriamento de 5 kW. Considera-se que uma pessoa parada dissipe calor a uma taxa de aproximadamente 360 kJ/h. Existem 10 lâmpadas incandescentes na sala, cada uma com uma capacidade nominal de 100 W. A taxa de transferência de calor para a sala, através das paredes e das janelas, é estimada em 15.000 kJ/h. Marque a alternativa que apresenta o número de aparelhos de condicionamento de ar necessários para que o ar da sala seja mantido à temperatura constante de 21 oC.
3. 
As necessidades de iluminação de um depósito estão sendo atendidas com seis conjuntos de lâmpadas fluorescentes, sendo que cada conjunto contém quatro lâmpadas de 60 W cada. As lâmpadas permanecem acesas das 6 às 18 horas durante os 365 dias do ano. No momento, utiliza-se o depósito a uma média de três horas por dia. Considerando que o preço da eletricidade é de R$ 0,81/kWh, marque a alternativa que apresenta a quantidade de energia e o dinheiro economizado, respectivamente, como resultado da instalação de sensores de movimento.
4. 
Sistema adiabático, sistema isotérmico, sistema estacionário e sistema transiente: estas considerações são comumente utilizadas em termodinâmica visando obter um equacionamento mais simples para a formulação de problemas. Marque a alternativa que descreve o comportamento característico de cada sistema, respectivamente.
Você acertou!
A. 
a) Não há troca de calor, temperatura constante, não há variação temporal, dependência da variável com o tempo.
Por que esta resposta é a correta?
Um sistema adiabático encontra-se isolado termicamente, portanto, não pode trocar calor com a vizinhança. Entretanto, pode ocorrer troca de energia na forma de trabalho. Sistemas isotérmicos são sistema que operam a uma temperatura constante. Em sistemas estacionários a variável em estudo é independente do tempo, ou seja, não ocorre variação temporal. O sistema transiente tem um comportamento contrário.
5. 
Durante um processo de aquecimento, a temperatura de um objeto se eleva em 10 °C. Essa elevação da temperatura é equivalente a uma elevação de temperatura de
Assunto 3 A energia em trânsito: o calor
1)Considere um automóvel viajando a uma velocidade constante ao longo de uma estrada. Determine os sentidos de trânsito de calor, respectivamente, considerando os seguintes sistemas: o radiador do carro, o motor do carro e as rodas do carro.
C. Saindo do sistema; saindo do sistema; entrando no sistema.
Por que esta resposta é a correta?
A água aquecida do radiador perde calor para o ar atmosférico, resfriando o motor do veículo. O motor aquecido pela intensas explosões é resfriando pela água que vem do radiador. As rodas do carro são aquecidas devido ao atrito com o solo e o ar.
2) O transporte de pessoas e mercadorias por via férrea é muito empregado mundialmente, entretanto, deve-ser atentar para países que apresentam invernos com temperaturas muito baixas, pois pode ocasionar o descarrilamento dos mesmos. Este fenômeno pode ser explicado corretamente em: 
B.Os trilhos são contraídos devido à perda de calor para o ambiente muito frio.
Por que esta resposta é a correta?
As baixas temperaturas ocasionam intensas trocas de calor entre o ambiente e os trilhos. Usando os trilhos como o sistema, ocorrerá uma perda brusca de calor pelo sistema para a vizinhança (ambiente) que influencia diretamente na redução da distância entre os trilhos.
3) Considere um refrigerador elétrico contido dentro de uma sala. Marque a alternativa correta quanto às interações de calor, respectivamente, para os seguintes sistemas: o conteúdo do refrigerador, todas as partes do refrigerador (porta aberta) e tudo contido dentro da sala durante um dia de inverno.
Resposta correta
A. Saindo do sistema; entrando no sistema; saindo do sistema.
Por que esta resposta é a correta?
O refrigerador (vizinhança) retira calor do conteúdo (sistema) para mantê-los conservados por mais tempo. O refrigerador (sistema) recebe calor do ambiente da sala (vizinhança) que estará em uma temperatura maior. Todo o interior da sala (sistema) perderá calor para o meio ambiente externo (vizinhança), que estará em uma temperatura inferior.
4) Quando um ônibus espacial retorna à Terra, sua superfície torna-se muito quente, ficando incandescente ao atravessar a atmosfera em alta velocidade. O ônibus torna-se quente e incandescente porque:
 E. O atrito como ar atmosférico gera muita energia, que na forma de calor aquece o ônibus e torna-o incandescente.
Por que esta resposta é a correta?
A massa do ônibus em alta velocidade gera energia cinética, ao chocar-se contra o ar atmosférico ocorre uma súbita desaceleração devido ao atrito. Parte desta energia é dissipada na forma que calor que aquece o ônibus espacial. Devido a intensidade da energia dissipada o ônibus torna-se incandescente.
5) Ao dirigir um veículo em dias de chuva, os motoristas enfrentam um problema comum, os vidros do carro embaçam e tornam-se translúcidos, dificultando a visão e ocasionando riscos iminentes de acidentes. Isto ocorre devido:
 D. O ar no interior do veículo está a uma temperatura maior do que o ar do lado de fora, que ao chocar-se contra o para-brisa condensam-se e ocasiona o embaçamento.Por que esta resposta é a correta?
O ar interior ao veículo, sendo o sistema, está a uma temperatura maior do que o ar exterior, que é a vizinhança, e o para-brisa funciona como fronteira. O sistema perde energia para a vizinhança. Quando as partículas de ar do sistema perdem energia, as mesmas condensam-se no para-brisa.
Assunto 4- A energia em trânsito: o trabalho
1)Determine o trabalho necessário em kJ para comprimir uma mola linear com uma constante elástica de 3 kN/cm em 3 cm a partir de sua posição de equilíbrio.
2)Marque a alternativa que apresenta a energia necessária para acelerar um automóvel de 800 kg do repouso a 100 km/h em uma estrada plana.
3) Marque a alternativa que apresenta a potência necessária para que um automóvel de 1.150 kg suba uma estrada em aclive de 100 m de comprimento com uma inclinação de 30° (com a horizontal) em 12 s a uma velocidade constante de 35 m/s até uma velocidade final de 5 m/s. Despreze o atrito, o arrasto aerodinâmico e a resistência ao rolamento. 
4)Um guindaste de construção levanta uma viga de concreto armado que pesa três toneladas a partir do solo até o topo de pilares que estão 24 pés acima do solo. Marque a alternativa que apresenta, respectivamente, a quantidade de trabalho realizado considerando (a) a viga e (b) o guindaste como o sistema. 
5. Uma mola cuja constante de mola é de 200 lbf/pol tem uma força inicial de 100 lbf agindo sobre ela. Marque a alternativa que apresenta o trabalho, em Btu, necessário para comprimi-la mais uma polegada.
Assunto 5 - A primeira lei da termodinâmica
1. Uma bomba de água aumenta a pressão da água de 10 psia para 50 psia. Marque a alternativa que apresenta a potência necessária, em hp, para bombear 1,2 pés3/s de água.
B.  12,4 hp
Por que esta resposta é a correta?
Taxa de energia mecânica no escoamento de um fluido:
2) Um ventilador deve acelerar ar parado até a velocidade de 8 m/s a uma taxa de 9 m3/s. Marque a alternativa que apresenta a potência mínima que deve ser fornecida ao ventilador. Suponha que a densidade do ar seja de 1,18 kg/m3.
3. Uma escada rolante de um centro comercial foi projetada para transportar 30 pessoas com 75 kg cada, à velocidade constante de 0,8 m/s e inclinação de 45°. A potência mínima necessária para mover essa escada rolante deve ser igual a
4. Um motor de 75 hp (potência de eixo) que possui uma eficiência de 91% está desgastado e será substituído por um motor de alta eficiência com 75 hp e eficiência de 95,4%. A redução do ganho de calor da sala devido à maior eficiência sob condições de plena carga é de 
5) Os requisitos de vapor de uma fábrica estão sendo atendidos por uma caldeira cuja potência térmica nominal é de 5,5 x 106 Btu/h. A eficiência de combustão da caldeira é medida em 0,7 por um analisador de gás portátil. Após o ajuste da caldeira, a eficiência de combustão aumenta para 0,8. A caldeira opera 4.200 horas por ano de forma intermitente. Tomando o custo unitário de energia de US$ 4,35/106 Btu, a energia anual economizada e a redução de custos são, respectivamente, iguais a
Assunto 6 - Substâncias puras: as mudanças de fases
1)A temperatura de ebulição da água é uma função da altura em relação ao nível do mar. Sabendo disto, marque alternativa que apresenta regiões onde a água ferve a 100°C e abaixo de 100°C, respectivamente:
B. Salvador e Belo Horizonte.
Por que esta resposta é a correta?
Salvador está no nível do mar e Belo Horizonte acima, logo a água ferverá a 100°C e abaixo de 100°C, respectivamente.
2) Três recipientes fechados com iguais volumes de água estão em um laboratório ao nível do mar e sob pressão constante. No recipiente 1 a água está a 100°C, no recipiente 2 a 80°C e no recipiente 3 a 0°C. Marque a alternativa que apresenta o nome correto dos estados físicos, respectivos, para a água:
D. Mistura líquido-vapor saturado; líquido comprimido e mistura sólido-líquido saturado.
Por que esta resposta é a correta?
A 100°C tem-se o equilíbrio entre líquido e vapor no recipiente 1; a 80°C tem-se apenas líquido presente no recipiente 2 e a 0°C tem-se o equilíbrio entre sólido e líquido no recipiente 3.
3) Utilizando as tabelas de propriedades da água
, em anexo, marque a alternativa que apresenta o volume e a pressão de um tanque que contém 100 kg de água líquida saturada a 80°C. 
A. V = 0,1029 m3; Psaturação = 47,416 kPa
4) Utilizando as tabelas de propriedades da água, em anexo, marque a alternativa que apresenta o volume e a temperatura da água de um tanque que contém 100 kg de água líquida saturada, sendo a pressão de operação do tanque de 200 kPa. 
E. V = 0,1061 m3; Tsaturação = 120,21ºC
5)Um tanque industrial fechado contendo água apresenta 200 kg de água à temperatura ambiente. O líquido deste tanque foi aquecido até a temperatura de saturação de 110°C, neste momento a massa de líquido medida foi de 160 kg. Marque a alternativa que apresenta a pressão e o volume do tanque, respectivamente.
D. Psaturação = 143,38 kPa; V = 48,5443 m3
Assunto 7 -- Substâncias puras: os diagramas de mudanças de fases
1)Uma massa de 10 kg de gás refrigerante R-134a enche um recipiente rígido de 1,348 m3 a uma temperatura inicial de -40°C. O recipiente é então aquecido até a pressão de 200 kPa. Marque a alternativa que apresenta a temperatura final e a pressão inicial, respectivamente.
D. T= 66,30 ℃; P=51,25 kPa
2)Um recipiente de 9 m3 é preenchido com 300 kg de R-134a a 10 °C. Marque a alternativa que apresenta a entalpia específica do R-134a no recipiente.
3)Um quilo de água enche um recipiente rígido de 150 L a uma pressão inicial de 2 MPa. O recipiente é então resfriado para 40 °C. Marque a alternativa que apresenta, respectivamente, a temperatura inicial e a pressão final da água.
4)A correta interpretação das regiões no diagrama de fases é determinante na identificação do estado físico e de variáveis independentes em sistemas termodinâmicos, o ponto triplo e o ponto crítico são duas importantes considerações durante estas interpretações. Sobre os pontos triplo e crítico, marque a alternativa correta.
B. O ponto triplo é caracterizado pela existência dos três estados físicos distintos de uma substância, enquanto o ponto crítico delimita a pressão e temperatura limites para distinguir os estados líquido e vapor.
Por que esta resposta é a correta?
No ponto triplo os três estados físicos coexistem em equilíbrio e no ponto crítico é a última pressão e temperatura onde os estados líquido e vapor podem ser diferenciados fisicamente.
5) Os diagramas de fases são ferramentas úteis na previsão da constituição de fases de uma substância. Sobre os diagramas de fases marque a alternativa correta.
E. Em um diagrama P-T a sublimação só ocorrerá em pressões e temperaturas abaixo do ponto triplo, enquanto a vaporização ocorrerá acima do ponto triplo.
Por que esta resposta é a correta?
Abaixo do ponto triplo não existe a fase líquido, sendo que o sólido passa diretamente a vapor. Acima do ponto triplo a fase líquida já existe, podendo ocorrer a vaporização
Assunto 8 – Segunda lei da termodinâmica (ciclo de Carnot)
1. O que é o princípio de Carnot?
Resposta correta
A. A eficiência de uma máquina térmica irreversível é sempre menor que a eficiência de uma reversível operando entre os mesmos dois reservatórios.
Por que esta resposta é a correta?
A eficiência de todas as máquinas térmicas reversíveis operando entre os mesmos dois reservatórios é a mesma.
2. 
O ciclo de refrigeração por compressão de vapor é o mais usado para refrigeradores, sistemas de condicionamento de ar e bombas de calor. Ele consiste em quatro processos.
Assinale a alternativa correta.
I- Compressão isentrópica em um compressor.
II- Rejeição de calor à pressão constante em um condensador.
III- Estrangulamento em um dispositivo de expansão.
IV- Absorção de calor à pressão constante em um evaporador.
B. Todas as alternativas estão corretas.
Por que esta resposta é a correta?
Muitas das dificuldadesassociadas ao ciclo de Carnot reverso podem ser eliminadas pela vaporização completa do refrigerante antes de sua compressão e pela substituição da turbina por um dispositivo de estrangulamento, como uma válvula de expansão ou um tubo capilar. O ciclo resultante é chamado de ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor.
3. Qual a diferença entre um processo internamente reversível e externamente reversível?
C. Um processo é chamado de internamente reversível se não ocorrer nenhuma irreversibilidade internamente às fronteiras do sistema durante o processo. Um processo é chamado de externamente reversível se não ocorrer nenhuma irreversibilidade fora das fronteiras do sistema durante o processo.
Por que esta resposta é a correta?
Durante um processo internamente reversível, um sistema passa por uma série de estados de equilíbrio e, quando o processo é revertido, o sistema passa exatamente pelos mesmos estados de equilíbrio enquanto retorna ao estado inicial. A transferência de calor entre um reservatório e um sistema será um processo externamente reversível se a superfície externa do sistema estiver à temperatura do reservatório.
4.Uma máquina térmica de Carnot recebe 400 kJ de calor por ciclo de uma fonte à temperatura de 500°C e rejeita calor para um sumidouro à temperatura de 20°C. Determine a eficiência térmica desta máquina de Carnot.
E. 62,1%.
5. Uma máquina térmica de Carnot recebe 400 kJ de calor por ciclo de uma fonte à temperatura de 500°C e rejeita calor para um sumidouro à temperatura de 20°C. Determine a quantidade de calor rejeitado para o sumidouro por ciclo.
D. 151,62 kJ.