Lista 1 - Termodinâmica 2022-2

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos Departamento de Engenharia de Alimentos Primiera Lista de Exercícios 2022 Termodinâmica ZEA 0466 Profa. Alessandra Lopes de Oliveira Questão 1. Um cilindro com pistão contém 4 kg de ar a 25 °C e 300 kPa. Então é aquecido em um processo à pressão constante até 700 K. Encontre o volume final, o trabalho realizado e o calor no processo. (1,5). Esquematize o processo em um diagrama Pxv (0,5). Questão 2. 5 kg de água a 300 kPa com um título de 30 % têm sua temperatura elevada em 67 oC em um processo de pressão constante. Quais são as transferências de calor e o trabalho no processo? b) Esquematize o processo em um diagrama Pv. Questão 3. Um sistema pistão/cilindro contém 30 kg de água a 150 kPa, com um volume de 0,1 m3. Retentores são colocados no cilindro para restringir o volume fechado até um máximo de 0,5 m3. Água no cilindro é aquecida até o pistão atingir os retentores. Qual a transferência de calor necessária (1,0)? Esquematize o processo em um diagrama Pxv (0,5). Questão 4. Um difusor (Fig. 1) recebe um fluxo de gás ideal a 100 kPa, 400 K com uma velocidade de 250 m/s e a velocidade de saída é de 25 m/s. Determine a temperatura da saída se o gás ideal for o Hidrogênio. Dado: Cp do H2 na Tabela A.10 Fig. 1. Difusor Questão 5. Uma turbina a vapor (Fig. 1) tem uma vazão de entrada de 5 kg/s de vapor d’água a 6000 kPa, 500 °C e velocidade de 30 m/s. A pressão do vapor na saída com título de 100% é de 200 kPa, e velocidade muito baixa (desprezível). Encontre o trabalho específico e a energia produzida. Fig. 1. Turbina Questão 6. A linha de água principal de um prédio alto tem uma pressão de 600 kPa a 5 m abaixo do nível do solo. Uma bomba (Fig. 1.) aumenta a pressão para que a água possa ser entregue a 200 kPa no piso superior, 150 m acima do nível do solo. Suponha uma vazão de 10 kg/s de água líquida a 10 oC e negligencie qualquer diferença na energia cinética e entalpia. Encontre o trabalho da bomba. Obs. Altura (H) vai de – 5 m até 150 m. Fig. 1. Bomba de água Questão 7. Um tubo escoa água a 20 oC de um edifício para outro (Fig. 1) No inverno, o tubo perde em torno de de 800 W de calor para o ambiente. Qual é a vazão mássica mínima necessária para garantir que a água não congele (ou seja, atinja 0 oC)? Dado: Negligencie energia cinética. Na Tabela da água saturada use T = 0,01 oC para fazer a leitura. Fig. 1. Tubo que transporta água líquida Questão 8. Em um gerador de vapor, água líquida a 0,1 MPa e 30 °C entra em uma tubulação de 2,0 cm de diâmetro a uma vazão de 0,05 m3/min. Vapor à 0,1 MPa, 500 oC sai do tubo. Encontre a taxa de transferência de calor para a água. Área do cilindro=(/4)D2 Fig.1. Gerador de vapor Questão 9. Gás de etano flui em um tubo de 40 mm de diâmetro a 15 °C, 300 kPa, à taxa de 0,01 kg/s e encontra uma válvula parcialmente fechada. Se houver uma queda de pressão para 20 kPa na válvula e essencialmente nenhuma mudança de temperatura, quais são as velocidades a montante (entrada) e a jusante da válvula (saída)? Dado: Área do Cilindro=(/4)D2 Fig. 2. Válvula Questão 10. Água flui em uma linha a 600 kPa no estado de vapor saturado, e sai através de uma válvula a 200 kPa (Fig. 1). Qual é a temperatura que a água sai da válvula, assumindo que não há mudanças na energia cinética e nenhuma transferência de calor? Fig. 1. Válvula Questão 11. Em uma câmara de mistura isolada, dois fluxos são misturados para formar um único fluxo (Fig. 1). O fluxo no estado 1 tem uma vazão é de 3 kg/s de água a 300 kPa, 300 oC e o fluxo no estado 2 está à 600 kPa e 90 oC. Qual deve ser a vazão mássica no estado 2 para que na saída a temperatura T3 seja de 200 oC se a pressão de saída for mantida em 300 kPa? Desprese as velocidades dos fluxos nas entradas e saída. Fig. 1. Misturador Questão 12. Três fluxos de ar a 200 kPa são conectados ao mesmo duto de saída e misturados sem transferência de calor externa (Fig. 1). O fluxo um tem vazão mássica de 1 kg/s a 400 K, o fluxo dois tem 3 kg/s a 290 K e o fluxo três tem 2 kg/s a 700 K. Negligencie as energias cinéticas e encontre o volume e a vazão no fluxo de saída. Dado: Propriedades do ar estão na Tabela A.12 Fig.1. Misturador de ar Questão 13. Um tanque de 25 L, mostrado na Fig. 1, que está inicialmente evacuado, é conectado por uma válvula a uma linha de suprimento de ar que circula ar a 25 °C, 800 kPa. A válvula está aberta e o ar flui para o tanque até que a pressão atinja 600 kPa. Determine o valor final da temperatura e da massa dentro do tanque, assumindo que o processo seja adiabático. Dado: Propriedades do ar estão na Tabela A.12 e A.8 Fig.1. Tanque de ar Questão 14. Um compressor (Fig. 1) que opera com R-134a na pressão de 150 kPa e -10°C comprime o vapor saturado (só vapor, pois no compressor não entra líquido) a uma pressão de 1200 kPa e 50°C. Este compressor é resfriado com água, portanto há uma perda de calor estimada em 40 kW. A potência recebida para o trabalho de eixo é de 150 kW. Qual é a vazão mássica através do compressor? Fig. 1. Compressor com resfriamento Questão 15. Um recipiente rígido (Fig. 1) possui 2 kg de dióxido de carbono a 100 kPa e 1200 K que é aquecido até 1400 K. Calcule a transferência de calor. Dados: Cp do CO2 na Tabela A.10. Fig. 1. Tanque de CO2 Questão 16. Um compressor de ar que opera adiabáticamente, aspira a 100 kPa e 290 K e entrega a 1 MPa e 600 K a resfriador de pressão constante, onde o ar sai a 300 K (Fig. 2). Encontre o trabalho específico do compressor e a transferência de calor específica no resfriador. Dados: As propriedades do ar estão na Tabela A.12. Fig. 2. Compressor com resfriamento