Lista de Exercicios - Termodinamica - Calculo de Energia Eolica e Sistemas Termicos

215 Dois locais estão sendo considerados para geração de energia eólica No primeiro local o vento sopra a 7 ms durante 3000 horas por ano enquanto no segundo local o vento sopra a 10 ms durante 2000 horas por ano Considerando por questões de simplicidade que a velocidade do vento seja desprezível no restante do ano para os dois casos determine qual é o melhor local para a geração de potência Dica Observe que o fluxo de massa do ar é proporcional à velocidade do vento 220C O que é um processo adiabático O que é um sistema adiabático 222C Considere um automóvel viajando a uma velocidade constante ao longo de uma estrada Determine os sentidos das interações de calor e trabalho considerando os seguintes sistemas a o radiador do carro b o motor do carro c as rodas do carro d a estrada e e o ar em torno do carro 240C Para um ciclo o trabalho líquido tem de ser necessariamente zero Em quais tipos de sistemas isso acontece 242C Em um dia quente de verão um estudante liga seu ventilador ao sair de seu quarto pela manhã Ao retornar à noite o quarto estará mais quente ou mais frio do que os cômodos vizinhos Por quê Considere que todas as portas e janelas foram mantidas fechadas 247 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 Considerase que uma pessoa parada dissipe calor a uma taxa de aproximadamente 360 kJh 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 15000 kJh Para que o ar da sala seja mantido à temperatura constante de 21 ºC determine o número de aparelhos de condicionamento de ar necessários Resposta 2 unidades 266 Uma sala de ginástica tem oito aparelhos de levantamento de peso sem motores e quatro esteiras cada uma equipada com um motor de 25 hp potência de eixo Os motores operam com um fator de carga médio de 07 para o qual sua eficiência é de 077 Durante o horário noturno de pico todos os 12 equipamentos de exercício são utilizados continuamente e também há duas pessoas fazendo exercícios leves enquanto aguardam na fila para usar um dos equipamentos Considerando que a taxa média de dissipação de calor das pessoas em uma sala de ginástica seja de 525 W determine a taxa de ganho de calor da sala de ginástica decorrente da presença das pessoas e o funcionamento dos equipamentos durante o horário de pico 272 Grandes turbinas eólicas com pás de envergadura de mais de 100 m estão disponíveis para a geração de energia elétrica Considere uma turbina eólica com pás de envergadura de 100 m instalada em um local sujeito a ventos constantes de 8 ms Considerando que a turbina eólica tem uma eficiência global de 32 e a densidade do ar é de 125 kgm³ determine a potência elétrica gerada por essa turbina Da mesma forma considerando ventos constantes de 8 ms durante um período de 24 horas determine a quantidade de energia elétrica e a receita geradas por dia para um preço unitário de eletricidade equivalente a US 006kWh 277E Uma bomba cuja eficiência é de 80 e a potência de entrada corresponde a 20 hp está bombeando água a partir de um lago para um reservatório próximo a uma taxa de 15 pés³s por um tubo de diâmetro constante A superfície livre do reservatório está a 80 pés acima do lago Determine a potência mecânica utilizada para superar os efeitos de atrito na tubulação Resposta 237 hp 31C Qual é a diferença entre líquido saturado e líquido comprimido 32C Qual é a diferença entre vapor saturado e vapor superaquecido 33C Há alguma diferença entre as propriedades intensivas do vapor saturado a uma determinada temperatura e as propriedades intensivas do vapor em uma mistura saturada à mesma temperatura 36C Qual é a diferença entre o ponto crítico e o ponto triplo 37C É possível verificar vapor de água a 10 C 314C Qual é o significado físico de hlv Seu valor pode ser obtido a partir dos valores de hl e hv De que forma 328 Se os dados fornecidos forem suficientes complete as células em branco na tabela a seguir com as propriedades da água Na última coluna descreva a condição da água como líquido comprimido mistura saturada vapor superaquecido ou informação insuficiente e se for caso dê o título Descrição da condição e título se aplicável P kPa T C v m3kg h kJkg 200 27063 130 0650 400 32770 800 30 450 14790 332 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 Determine a temperatura inicial e a pressão final da água FIGURA P332 347 Uma panela de aço inoxidável com 25 cm de diâmetro interno ferve água a uma pressão de 1 atm em um fogão elétrico Observase que o nível da água na panela cai em 10 cm no período de 45 min Determine a taxa de transferência de calor para a panela 381 Um tanque rígido cujo volume é desconhecido está dividido em duas partes por uma partição Um dos lados do tanque contém um gás ideal a 927 C O outro lado está evacuado e tem um volume que equivale a duas vezes o tamanho da parte que contém o gás A partição é então removida e o gás expandese preenchendo todo o tanque Calor é transferido ao gás até que a pressão seja igual à pressão inicial Determine a temperatura final do gás Resposta 3327 C FIGURA P381 387 Determine o volume específico do vapor de água superaquecido a 15 MPa e 350 C usando a a equação do gás ideal b o diagrama generalizado de compressibilidade e c as tabelas de vapor Determine também o erro associado aos dois primeiros casos Respostas a 001917 m3kg 670 b 001246 m3kg 85 c 001148 m3kg 3113 Um tanque rígido contém gás nitrogênio a 227 C e pressão manométrica de 100 kPa O gás é aquecido até à pressão manométrica de 250 kPa Considerando que a pressão atmosférica é de 100 kPa determine a temperatura final do gás em C FIGURA P3113 3137 Uma dada quantidade de água inicialmente a 300 kPa e 250 C está contida em um tanque de volume constante A água é resfriada até que sua pressão seja 150 kPa No esboço dos diagramas Pv e Tv considerando as linhas de saturação verificase que a curva do processo passa pelos estados inicial e final da água Identifique o estado final sobre as curvas do processo Esboce também nos diagramas Pv e Tv as isotermas passando em ambos os estados e mostre seus valores em C nas isotermas 49 Um arranjo pistãocilindro inicialmente contém 007 m³ de gás nitrogênio a 130 kPa e 180 C O nitrogênio então se expande de maneira politrópica até uma pressão de 80 kPa com um expoente politrópico cujo valor é igual à razão entre os calores específicos a chamada expansão isentrópica Determine a temperatura final e o trabalho de fronteira realizado durante esse processo 410 Uma massa de 5 kg de vapor de água saturado a 300 kPa é aquecida a uma pressão constante até que a temperatura atinja 200 C Calcule o trabalho realizado pelo vapor durante esse processo Resposta 1659 kJ 414 Uma massa de 24 kg de ar a 150 kPa e 12 C está contida em um arranjo pistãocilindro bem vedado que não sofre atrito O ar é então comprimido até a pressão final de 600 kPa Durante esse processo calor é transferido do ar para o ambiente externo de maneira que a temperatura dentro do cilindro permanece constante Calcule o trabalho realizado sobre o ar nesse processo Resposta 272 kJ 424 Um arranjo pistãocilindro contém 015 kg de ar inicialmente a 2 MPa e 350 C O ar é então expandido isotermicamente para 500 kPa depois comprimido politropicamente com um expoente politrópico de 12 até a pressão inicial e finalmente comprimido a uma pressão constante até o estado inicial Determine o trabalho de fronteira em cada processo e o trabalho líquido do ciclo 427 Um gás ideal passa por dois processos em um arranjo pistãocilindro da seguinte maneira 12 Compressão politrópica de T1 e P1 com o expoente politrópico n e razão de compressão de r V1V2 23 Expansão a uma pressão constante a P3 P2 até V3 V1 a Esboce o processo em um único diagrama PV b Obtenha uma expressão para a razão do trabalho de compressãoexpansão como uma função de n e r c Encontre o valor dessa razão para valores de n 14 e r 6 Respostas b 1n11 r1nr1 c 0256 432 Um tanque rígido bem isolado contém 2 kg de uma mistura saturada de líquido e vapor de água a 150 kPa Inicialmente verificase que 34 da massa estão na fase líquida Um resistor elétrico colocado no tanque é conectado a uma fonte de 110 V e uma corrente de 8 A flui pelo resistor quando o interruptor é ligado Determine quanto tempo levará para evaporar todo o líquido do tanque Mostre também o processo em um diagrama Tv que inclua as linhas de saturação 439 Um arranjo pistãocilindro contém vapor de água inicialmente a 200 kPa 200 C e 04 m³ Nesse estado uma mola linear F x está tocando o pistão mas sem exercer qualquer força sobre ele Calor é então transferido lentamente para o vapor fazendo com que a pressão e o volume sejam elevados para 250 kPa e 06 m³ respectivamente Mostre o processo em um diagrama Pv que inclua as linhas de saturação e determine a a temperatura final b o trabalho realizado pelo vapor e c o calor total transferido Respostas a 606 C b 45 kJ c 288 kJ 441 Um radiador elétrico de 30 L contendo óleo de aquecimento é colocado em uma sala de 50 m³ Tanto a sala como o óleo do radiador estão inicialmente a 10 C O radiador cuja capacidade nominal equivale a 18 kW é então ligado Ao mesmo tempo calor é perdido pela sala a uma taxa média de 035 kJs Depois de algum tempo as temperaturas médias são medidas indicando 20 C para o ar da sala e 50 C para o óleo do radiador Considerando que a densidade e o calor específico do óleo correspondem a 950 kgm³ e 22 kJkgC respectivamente determine por quanto tempo o aquecedor foi mantido ligado Considere que a sala é bem vedada e portanto não houve vazamento de ar 474 Um arranjo pistãocilindro com mola contém 1 kg de dióxido de carbono Esse sistema é aquecido de 100 kPa e 25 C para 1000 kPa e 300 C Determine o calor total transferido e o trabalho produzido por esse sistema 482 Uma determinada massa de ar está contida em um arranjo pistãocilindro a 600 kPa e 927 C ocupando um volume de 08 m³ O ar passa por um processo isotérmico temperatura constante até que a pressão seja reduzida para 300 kPa O pistão é então fixado em um local e não é possível movêlo enquanto ocorre um processo de transferência de calor que faz o ar atingir 27 C a Esboce o sistema mostrando as energias que atravessam a fronteira e o diagrama de PV para os processos combinados b Para os processos combinados determine a quantidade líquida de transferência de calor em kJ e a sua direção Considere que o ar tem calores específicos constantes avaliados a 300 K 4125 Um arranjo pistãocilindro sem atrito contém inicialmente ar a 100 kPa e 015 m³ Nesse estado uma mola linear F x está tocando o pistão mas sem exercer qualquer força sobre o mesmo O ar é então aquecido até o estado final de 045 m³ e 800 kPa Determine a o trabalho total realizado pelo ar e b o trabalho realizado contra a mola Mostre também o processo em um diagrama Pv Respostas a 135 kJ b 105 kJ 4126 Uma massa de 5 kg de uma mistura de água líquida e vapor de água saturados está contida em um arranjo pistãocilindro a 125 kPa Inicialmente dois quilos da água estão na fase líquida e o restante está na fase vapor Calor é então transferido para a água e o pistão apoiado em batentes começa a se mover quando a pressão interna atinge 300 kPa A transferência de calor continua até que o volume total aumente em 20 Determine a as temperaturas inicial e final b a massa de água na fase líquida quando o pistão começa a se mover e c o trabalho realizado durante esse processo Mostre o processo em um diagrama Pv 4144 Considere um cilindro rígido horizontal e bem isolado dividido em dois compartimentos por um pistão com liberdade de movimento mas que não permite fuga de gás de um lado para o outro Inicialmente um lado do pistão contém 1 m³ de gás N₂ a 500 kPa e 120 C enquanto o outro lado contém 1 m³ de gás He a 500 kPa e 40 C O equilíbrio térmico no cilindro é então estabelecido como resultado da transferência de calor através do pistão Usando calores específicos constantes à temperatura ambiente determine a temperatura final de equilíbrio no cilindro O que você responderia se o pistão não fosse livre para se mover FIGURA P4144 530 Uma determinada quantidade de ar entra em regime permanente em um bocal adiabático a 300 kPa 200 C e 45 ms e sai a 100 kPa e 180 ms A área na entrada do bocal é de 110 cm² Determine a o fluxo de massa no bocal b a temperatura de saída do ar e c a área na saída do bocal Respostas a 109 kgs b 185 C c 799 cm² 534 Vapor entra em um bocal a 400 C e 800 kPa com uma velocidade de 10 ms e sai a 300 C e 200 kPa enquanto perde calor a uma taxa de 25 kW Para uma área de entrada de 800 cm² determine a velocidade e a vazão volumétrica do vapor na saída do bocal Respostas 606 ms 274 m³s FIGURA P534 541 Refrigerante134a entra em regime permanente em um difusor como 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 que passa pelo difusor Considerando que a área de saída é 80 maior do que a área de entrada determine a a velocidade na saída e b o fluxo de massa do refrigerante Respostas a 608 ms b 1308 kgs 546C Alguém propõe o seguinte sistema para resfriar uma casa no verão comprimir o ar ambiente externo deixálo esfriar de volta até a temperatura ambiente escoálo em uma turbina e em seguida descarregar o ar frio que sai da turbina dentro da casa O sistema proposto é bom sob o ponto de vista termodinâmico 549 Vapor escoa em regime permanente por uma turbina adiabática Na entrada o vapor está a 6 MPa 400 C e 80 ms e na saída a 40 kPa 92 de título e 50 ms O fluxo de massa do vapor é de 20 kgs Determine a a variação da energia cinética b a potência produzida e c a área de entrada da turbina Respostas a 195 kJkg b 146 MW c 00119 m² P₁ 6 MPa T₁ 400 C V₁ 80 ms Vapor m 20 kgs Wsai P₂ 40 kPa x₂ 092 V₂ 50 ms FIGURA P549 553 Um compressor de ar adiabático comprime 10 Ls de ar a 120 kPa e 20 ºC para 1000 kPa e 300 ºC Determine a o trabalho requerido pelo compressor em kJkg e b a potência necessária para fazer o compressor de ar funcionar em kW 556 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 e b o consumo de potência no compressor Respostas a 028 m³s b 688 kW 562C Alguém diz com base em medições de temperatura que a temperatura de um fluido aumenta durante um processo de estrangulamento em uma válvula bem isolada com atrito desprezível Como você avalia essa afirmação Esse processo viola as leis da termodinâmica 567 Uma mistura de líquidovapor saturado de água chamada de vapor úmido inicialmente a 2000 kPa em uma linha de vapor é estrangulada até uma pressão de 100 kPa e uma temperatura de 120 ºC Qual é o título na linha de vapor Resposta 0957 569 Uma válvula bem isolada é usada para estrangular vapor de água inicialmente a 8 MPa e 350 ºC para uma pressão de 2 MPa Determine a temperatura final do vapor Resposta 285 ºC 575 As correntes quente e fria de um fluido são misturadas em uma câmara de mistura rígida O fluido quente flui para a câmara a uma vazão mássica de 5 kgs com energia de 150 kJkg O fluido frio flui para a câmara com uma vazão mássica de 15 kgs e energia de 50 kJkg Há transferência de calor para a vizinhança a partir da câmara de mistura a uma quantidade de 55 kW A câmara de mistura opera em regime permanente e não ganha ou perde energia ou massa com o tempo Determine a energia transportada a partir da câmara de mistura pela mistura de fluido por unidade de massa de fluido em kJkg 581 Vapor de água entra no condensador de uma usina de potência a vapor a 20 kPa e título de 95 com um fluxo de massa de 20000 kgh O vapor deve ser resfriado pela água de um rio próximo a qual circulará pelos tubos que estão dentro do condensador Para evitar poluição térmica a água do rio não poderá sofrer um aumento de temperatura acima de 10 ºC Considerando que o vapor deve sair do condensador como líquido saturado a 20 kPa determine o fluxo de massa necessário para a água de resfriamento Resposta 2977 kgs 585 Um determinado volume de água fria cp 418 kJkg ºC que será utilizada em um chuveiro entra em um trocador de calor tipo duplotubo de correntes opostas a 15 ºC a uma vazão de 060 kgs e é aquecida até chegar a 45 ºC Para isso utilizase água quente cp 419 kJkgºC que entra a 100 ºC no sistema a uma vazão de 3 kgs Determine a taxa de transferência de calor no trocador de calor e a temperatura de saída da água quente 592 O condensador de um ciclo de refrigeração é basicamente um trocador de calor em que um refrigerante é condensado pela rejeição de calor para um fluido de resfriamento Refrigerante134a entra em um condensador a 1200 kPa e 85 ºC a uma vazão mássica de 0042 kgs e sai à mesma pressão subresfriado a 63 ºC A condensação é realizada pela água de resfriamento a qual sofre uma elevação de temperatura de 12 ºC no condensador Determine a a taxa de calor transferido para a água no condensador em kJmin e b a vazão mássica de água em kgmin Respostas a 525 kJmin b 105 kgmin