Lista 2 - Termodinâmica 2022-2

UUNNIIVVEERRSSIIDDAADDEE DDEE SSÃÃO O PPAAUULLO O Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos Departamento de Engenharia de Alimentos 2a Lista de Exercícios – ZEA 0466 TERMODINÂMICA Profa. Alessandra Lopes de Oliveira 1. Água subterrânea geotérmica quente ou vapor pode ser usado para produzir energia eléctrica? Isso viola a segunda lei? 2. Para cada um dos casos a seguir, determine se o motor de calor satisfaz a primeira lei (equação da energia) e se ela viola a segunda lei. a. QH = 6 kW, QL = 4 kW, W = 2 kW b. QH = 6 kW, QL = 0 kW, W = 6 kW c. QH = 6 kW, QL = 2 kW, W = 5 kW d. QH = 6 kW, QL = 6 kW, W = 0 kW Resposta: Primeira Lei Segunda Lei a. Sim Sim (possível) b. Sim Não, impossível (Kelvin – Planck) c. Não Sim, (mas a energia não é conservada) d. Sim Sim (Q. irreversível sobre AT) 3. Um motor de carro queima 5 kg de combustível (equivalente a adição de calor QH) a 1500 K e rejeita energia para o radiador e os gases de escape a uma temperatura média de 750 K. Se o combustível fornece 40 000 kJ/kg qual é a quantidade máxima de trabalho que o motor pode fornecer? Resposta: W = 100.000 kJ 4. Um recipiente com 4L de leite a 25°C é colocado no seu refrigerador onde é resfriado até 5°C. No ciclo de refrigeração de Carnot, a temperatura alta é de 45°C e as propriedades do leite são as mesmas que para a água líquida. Encontre a quantidade de energia que deve ser removida do leite e o trabalho adicional necessário para conduzir o refrigerador. Resposta: 1Q2 = - 334,55 kJ W = QL / β = 334,55 / 6.954 = 48,1 kJ 5. Considerando um ciclo de calor de Carnot que trabalha com R-22 como fluído de trabalho. Calor é rejeitado do R-22 a 40oC, e durante este processo o R-22 muda do estado de vapor saturado para líquido saturado. O calor é transferido para o R-22 a 0°C. a. Mostre o Ciclo em um diagrama T×s; b. Encontre o título do R-22 no começo e no fim da isoterma do processo de adição de calor a 0°C; c. Determine o coeficiente de performance para o ciclo. Resposta: b) x4 = 0.2216 c) β= 7.83 6. Água a 1000 kPa, 250°C é levada a vapor saturado num sistema pistão/cilindro em um processo isobárico (esquematize em um diagrama). Encontre o trabalho específico e a transferência de calor. Resposta: 1w2 = -38,28 kJ/kg 1q2 = -164,55 kJ / kg 7. Um cilindro equipado com um pistão móvel contém água a 3 MPa e título de 50%, ponto em que o volume é de 20 L. A água agora expande-se para 1,2 MPa, como uma consequência por receber 600 kJ de calor de uma fonte a 300°C. Alega-se que a água faz 124 kJ de trabalho durante este processo. Isso é possível? Resposta: ΔSnet = 0,2335 kJ / K > 0; processo é possível 8. Considere-se uma pequena pistola de ar com um volume do cilindro de 1 cm3 a 250 kPa e 27 °C. A bala atua como um êmbolo inicialmente presa por um gatilho. A bala é libertada de modo que o ar expande-se em um processo adiabático. Se a pressão vai para 100 kPa conforme a bala sai do cilindro, encontre o volume final e o trabalho realizado pelo ar. Além de processo adiabático reversível considere processo isoentrópico, portanto: T2 = T1 (P2/P1)k-1/k sendo k=1.4 1W2 = 1/1 - k (P2V2 - P1V1). Demonstre como se chega nestas expressões. Resposta: V2 = 1,92 cm3 1W2 = 0,145 J 9. Ar em um tanque está a 300 kPa, 400 K e um volume de 2 m3. Uma válvula sobre o tanque é aberta para permitir que ocorra fuga de um pouco de ar para o ambiente. A pressão final dentro do tanque será de 200 kPa. Encontre a temperatura final e a massa final, assumindo um processo reversível adiabático para o ar restante dentro do tanque. Dados: Considere gás ideal T2 = T1 (P2/P1)k-1/k k=1.4 Resposta: T2 = 356,25 K m2 = 3.912 kg 10. Um suprimento de água quente geotérmico é utilizado como a fonte de energia em um ciclo de Rankine ideal, com o R-22 como o fluido de ciclo de trabalho. O vapor saturado R-22 sai da caldeira, a uma temperatura de 85°C, e a temperatura do condensador é de 40°C. Calcule a eficiência térmica deste ciclo. Resposta: Resposta: ηTH = WNET / qH = 0,1034 11. Um refrigerador num laboratório utiliza R-22 como a substância de trabalho. A pressão alta é de 1200 kPa, a pressão baixa é 201 kPa, e o compressor é reversível. Deve remover 500 W de um espaço a -20°C. Encontre o COP do ciclo e o trabalho que deve alimentá-lo. Resposta: COP Frigorífico: β = qL/wC = 3,5 Alimentação: WIN = QL/β = 142,9 W 12. Calcule a hlv ou vapH e a slv ou vapS para o Nitrogênio à 70 K e 110 K a partir da equação de Clapeyron, utilizando os valores de pressão e volume específico necessários, tabelados. 13. Utilizando a relação dU = TdS-PdV e das relações de Maxwell para a equação da energia livre de Gibbs, encontre uma expressão para (∂U/∂P)T que só tenha propriedades P, V e T envolvidas. Qual o valor da derivada parcial se você tiver um gás ideal? Interprete-a.