Lista 1 termodinâmica pdf

Universidade De São Paulo Faculdade de Engenharia de Alimentos Departamento de Engenharia de Alimentos ZEA Curso Engenharia de Alimentos Disciplina Termodinâmica ZEA0466 Turma EAD 2º semestre2025 Docente Profa Dra Izabel C F Moraes Discente PAE Guilherme Data 05 de setembro de 2022 1 Um certo volume de gás nitrogênio inicialmente a 60 kPa e 7 C entra em um difusor adiabático em regime permanente a uma velocidade de 275 ms saindo a 85 kPa e 27 C Determine a a velocidade do nitrogênio na saída b a razão entre a área de entrada e a área de saída 2 Cinco moles de nitrogênio inicialmente a 3 bar e 88 C são submetidos a um ciclo reversível de quatro etapas em um sistema fechado Na etapa A ocorre uma expansão isotérmica até 1 bar na etapa B a pressão decai isocoricamente para 05 bar na etapa C o volume decai a pressão constante e na etapa D o nitrogênio retorna adiabaticamente ao seu estado inicial Considerando que o nitrogênio se comporte como um gás ideal i Trace os caminhos em um diagrama PV e identifique cada uma das etapas ii Calcule W Q U e H para cada etapa do ciclo 3 Um arranjo cilindropistão contém 2 kg de R134A a 800 kPa e 80 C Neste estado o pistão toca um par de batentes na parte superior do cilindro A massa do pistão é tal que é necessária uma pressão de 500 kPa para movêla Uma válvula na parte inferior do tanque é aberta e R134A é retirado do cilindro Após algum tempo observase que o pistão se move e a válvula é fechada quando metade do refrigerante é retirado do tanque além disso a temperatura deste cai para 20 C Determine a o trabalho realizado b transferência de calor 4 Dois tanques A e B são separados por uma partição membrana e ambos contêm água Inicialmente o tanque A contém 2 kg de vapor a 1 MPa e 300º C enquanto o tanque B há 3 kg de água a 150º C com título 50 A partição é então removida e os conteúdos dos dois lados se misturam até que seja estabelecido o equilíbrio mecânico e térmico Considerandose que a pressão no estado final seja 300 kPa determine a a temperatura e o título no estado final se for pertinente e b a perda de calor nos tanques 5 Para resolver as seguintes questões considere Cv 5 e Cp 7 BtulbmolF para o nitrogênio gasoso Universidade De São Paulo Faculdade de Engenharia de Alimentos Departamento de Engenharia de Alimentos ZEA Curso Engenharia de Alimentos a Três lbmoles de nitrogênio a 70º F contidos em um vaso rígido são aquecidos até 350º F Quanto calor é requerido se a capacidade calorífica do vaso for desprezível No caso de a capacidade calorífica do vaso não ser desprezível e tiver o valor igual a 012 BtulbmolF quanto calor seria necessário para o mesmo processo ocorrer considere a massa do vaso igual a 200 lbm b Quatro lbmoles de nitrogênio a 400º F são contidos num arranjo cilindropistão Quanto calor deve ser extraído do sistema que está a P constante para resfriálo até 150º F 6 Dióxido de carbono gasoso entra em um compressor resfriado a água nas condições iniciais P1 15 psia e T1 50º F e é descarregado nas condições P2 520 psia e T2 200º F O CO2 alimentado escoa através de um tubo com 4 in de diâmetro a uma velocidade de 20 fts e é descarregado em um tubo de 1 in O trabalho de eixo fornecido ao compressor é igual a 5360 Btumol Qual é a taxa de transferência de calor saindo do compressor em Btuh Sabese que H1 307 Btulbm V1 925 ft3lbm H2 330 Btulbm V2 028 ft3lbm 7 Um sistema constituído por 27 kg de ar cujo comportamento se supõe ideal está a uma pressão de 25 atm e temperatura de 20º C Mantendo seu volume constante retirase reversivelmente uma certa quantidade de calor Em seguida mediante uma expansão reversível e adiabática se reduz a temperatura até os 20º C iniciais de modo que a pressão final seja de 16 atm Pedese a a temperatura e a pressão alcançadas pelo sistema imediatamente antes da expansão adiabática b o calor retirado no processo isocórico c a variação de energia interna correspondente a todo o processo 8 Um gás ideal inicialmente a 30º C e 100 kPa é submetido a um processo cíclico em um sistema fechado a Em um processo reversível mecanicamente primeiramente ocorre uma compressão do gás de forma adiabática até 500 kPa e então resfriamento à pressão constante de 500 kPa até 30º C e finalmente expansão isotérmica até o estado original b O ciclo ocorre exatamente da mesma forma mas cada etapa é irreversível com eficiência de 80 em comparação com o ciclo reversível mecanicamente Calcule Q W U e H para cada etapa do processo e para o ciclo Assuma que CPm 72R Universidade De São Paulo Faculdade de Engenharia de Alimentos Departamento de Engenharia de Alimentos ZEA Curso Engenharia de Alimentos 9 Uma turbina adiabática expande vapor de 500º C e 35 MPa até 200º C e 03 MPa Se a turbina gera 750 kW qual a vazão mássica de vapor através da turbina Se ocorrer uma quebra do isolamento térmico da turbina e começa a ocorrer uma perda térmica de 60 kJ por kg de vapor e o vapor de saída passa a uma T de 150º C e 03 MPa qual a potência desenvolvida pelo equipamento se as condições de entrada permanecem inalteradas 10 Vapor dágua a 06 MPa e 200C entra em um bocal isolado termicamente com uma velocidade de 50ms e sai com velocidade de 600 ms à pressão de 015 MPa Determine o estado físico a temperatura final e o título se aplicável 11 Dióxido de carbono entra em um compressor adiabático a 100 kPa e 300 K a uma taxa de 05 kgs e sai a 600 kPa e 450 K Desprezando as variações de energia cinética determine a a vazão volumétrica de dióxido de carbono na entrada do compressor b o trabalho 12 Refrigerante134a a 1 MPa e 80C deve ser resfriado por ar em um condensador até 1 MPa e 30C O ar entra a 100 kPa e 27C com uma vazão volumétrica de 800 m3min e sai a 95 kPa e 60C Determine o fluxo de massa do refrigerante Figura 1 Referente ao Problema 12 trocador de calor 13 Vapor de amônia T 20º C e P 800 kPa entra num bocal a baixíssima velocidade A pressão e a velocidade na seção de saída são respectivamente 300 kPa e 450 ms Sabendo que a vazão mássica de entrada é 001 kgs calcule a temperatura de saída da amônia e o título se aplicável 14 Uma corrente de água corrente 1 precisa ser aquecida de 20 a 90º C usandose uma corrente de vapor de água corrente 2 a 450º C e 25 MPa de modo que se produza 10 kgs de água aquecida corrente 1 Existem dois Universidade De São Paulo Faculdade de Engenharia de Alimentos Departamento de Engenharia de Alimentos ZEA Curso Engenharia de Alimentos modos possíveis de conduzir tal processo na planta da unidade de produção em que você foi recémcontratado como estagiário e seu chefe pediu que você avaliasse preliminarmente as duas opções em termos de gasto de vapor As duas opções são descritas a seguir a Fazer o aquecimento utilizando um tanque aberto ou seja misturando as duas correntes b Fazer o aquecimento utilizandose um trocador de calor e neste caso a corrente de vapor poderia deixar o equipamento com título igual a 50 a 100º C para ainda ser utilizada em outro processo 15 Refrigerante 134a entra em regime permanente em um difusor com vapor saturado a 800 kPa com velocidade de 120 ms e sai a 900 kPa e 40 C O refrigerante está ganhando calor a uma taxa de 2 kJs à medida em que passa pelo difusor Considerandose que a área de saída é 80 maior que a área de entrada determine a a velocidade na saída b o fluxo de massa do refrigerante 16 Refrigerante134a deve ser resfriado pela água em um condensador O refrigerante entra no condensador com um fluxo de massa de 6 kgmin a 1 MPa e 70 C e sai a 35 C A água de resfriamento entra a 300kPa e 15 C e sai a 25 C Desprezando quaisquer perdas de pressão determine a O fluxo de massa necessário de água de resfriamento b a taxa de transferência de calor do refrigerante para a água 17 O vapor produzido em uma caldeira é frequentemente úmido quer dizer é uma névoa composta de vapor saturado e gotas de líquido A qualidade de um vapor úmido é definida como a fração mássica da mistura que é vapor Um vapor úmido na pressão de 50 bar com uma qualidade de 085 é seco isotermicamente evaporandose o líquido nele contido A vazão do vapor seco é 525 m³h a Use as tabelas de vapor para determinar a temperatura na qual acontece esta operação as entalpias específicas das correntes úmida e seca e a vazão mássica total da corrente de processo b Calcule a entrada de calor kW necessária para o processo de evaporação 18 Vapor a 40 bar e 500º C escoa com uma vazão mássica de 250 kgmin através de uma turbina onde se expande até 5 bar A turbina fornece 1500 kW de potência Ao sair da turbina o vapor flui para um aquecedor onde é reaquecido isobaricamente até sua temperatura inicial Universidade De São Paulo Faculdade de Engenharia de Alimentos Departamento de Engenharia de Alimentos ZEA Curso Engenharia de Alimentos a Qual a temperatura da corrente de saída da turbina b Qual o calor necessário a ser adicionado ao vapor no aquecedor para que o processo descrito ocorra satisfatoriamente c Verifique se o balanço de energia global nas duas unidades é satisfeito d Suponha que as tubulações de entrada e de saída da turbina têm diâmetro de 05 m Mostre que é razoável desprezar as mudanças na energia cinética desta unidade 19 Um dispositivo cilindropistão contém inicialmente 015 kg de vapor dágua a 35 MPa superaquecido em 5º C O vapor perde calor para as vizinhanças e o pistão se move para baixo batendo em um conjunto de batentes conforme a Figura 2 até o ponto em que o cilindro contenha líquido saturado O resfriamento continua até que o cilindro contenha água a 200º C Determine a a pressão final e a qualidade da mistura se pertinente b o trabalho envolvido neste processo c a quantidade de calor transferido Figura 2 Referente ao Problema 19 steam vapor dágua 20 Vapor dágua entra no condensador de uma usina de potência a vapor a 20 kPa e título de 95 com fluxo de massa de 20000 kgh O vapor deve ser resfriado pela água de um rio próximo circulando a água pelos tubos que estão dentro do condensador Para evitar poluição térmica não é permitido que a água do rio sofra um aumento de temperatura acima de 10 C Se o vapor deve sair do condensador como líquido saturado a 20 kPa determine o fluxo de massa necessário para a água de resfriamento