Exercícios Resolvidos - Transferência de Calor e Resistência Térmica

26875 K 300 K 33125 K 300125 K 3625 K 1035 1035 3105 5175 621 4 Considere uma parede plana com 120 mm de espessura e condutividade térmica igual a 120 WmK Sabese que há condições de regime estacionário quando T1 500 K e T2 700 K Determine o fluxo térmico qe e o gradiente de temperatura dTdx para os sistemas de coordenadas mostrados a 200 kWm² e 1667 Km b 200 kWm² e 1667 Km c 200 kWm² e 1667 Km a 200 kWm² e 1667 Km b 200 kWm² e 1667 Km c 200 kWm² e 1667 Km a 200 kWm² e 1667 Km b 200 kWm² e 1667 Km c 200 kWm² e 1667 Km a 200 kWm² e 1667 Km b 200 kWm² e 1667 Km c 200 kWm² e 1667 Km a 200 kWm² e 1667 Km b 200 kWm² e 1667 Km c 200 kWm² e 1667 Km 5 Na análise de transferência de calor muitas vezes estamos interessados na taxa de transferência de calor através de um meio em condições estáveis de temperaturas superficiais Tais problemas podem ser resolvidos facilmente sem envolver equações diferenciais pela introdução do conceito de resistência térmica de forma análoga aos problemas de circuitos elétricos Neste caso a resistência térmica corresponde à resistência elétrica a diferença de temperatura corresponde à tensão e a taxa de transferência de calor corresponde à corrente elétrica CENGEL YA GHAJAR AJ Transferência de Calor e Massa Uma abordagem prática 4ª ed Porto Alegre Mc Grailhill 2012 Considere uma parede plana consistindo de duas camadas A e B com os seguintes parâmetros respectivos kA 08 WmK LA 8cm kB 02 WmK LB 5cm Se a queda de temperatura ao longo da parede é de 18C assinale a alternativa que contém o valor correto para a taxa de transferência de calor por unidade de área nesta parede 180 Wm² 153 Wm² 896 Wm² 72 Wm² 514 Wm² Um refrigerador se encontra em uma sala onde a temperatura externa é de 30 C No compartimento de alimentos a temperatura é mantido a 12 C O calor retirado do compartimento de alimentos é estimado em 3300 kJh e a rejeição de calor no condensador é de 4800 kJh conforme apresentado na figura Os refrigeradores são classificados através do seu coeficiente de desempenho ou coeficiente de eficiência energética de acordo com a tabela Classe A Classe B Classe C Classe D Classe E 2 A figura abaixo apresenta uma turbina de avião Na turbina de avião o ar sofre compressão antes da entrada no motor O ar que entra no difusor tem temperatura T1 300 K pressão de 60 KPa velocidade V1 250 ms e o CP do ar é de 1 KJKgK Se o processo é isolado termicamente determine a temperatura da entrada do compressor T01 considerando velocidade na saída do difusor desprezível em relação à velocidade da entrada 6 Desejase aproveitar o calor da combustão de um resíduo industrial cuja temperatura alcança 900o C utilizandose de uma instalação de motor térmico A fonte fria disponível é água do mar cuja temperatura média anual é de 22o C O calor disponível na combustão do resíduo é de 1000 kW A máxima potência útil da instalação kW é 7 Motores de combustão interna são máquinas térmicas onde o movimento alternativo do pistão dentro de um cilindro é transformado em movimento rotativo no eixo de acionamento O mecanismo composto por pistão biela e virabrequim é que transforma a energia dos gases a alta pressão e temperatura energia térmica provenientes da combustão de um combustível dentro do cilindro em energia mecânica Um motor de combustão interna de quatro tempos e quatro cilindros opera a 2600 rpm Os processos dentro de cada cilindro são modelados como um ciclo de arpadrão Otto com uma pressão de 147 lbfin² uma temperatura de 80F e um volume de 00196 ft³ no início da compressão A taxa de compressão é 12 e a potência desenvolvida pelo motor é 55 hp Determine usando uma análise de arpadrão frio com k 14 e cv 0171 BtulbmR as temperaturas aproximadamente em cada estado principal do ciclo em R e a pressão média efetiva em lbfin² 8 Uma turbina consome 20 toneladash de vapor O vapor entra a 5 MPa e sai a 10 KPa A potência desenvolvida pela turbina é aproximadamente 9 Se uma máquina de Carnot cujo rendimento é igual a 70 receber 500 J de calor de sua fonte quente qual será a quantidade de trabalho realizada por essa máquina a cada ciclo 10 O ciclo de Carnot proposto pelo físico e engenheiro militar Nicolar Léonard Sadi Carnot no ano de 1824 surgiu com o objetivo de criar um ciclo ideal no qual seria possível obter um melhor rendimento das máquinas térmicas sem levar em consideração as dificuldades térmicas Assim qualquer máquina que operasse com esse tipo de ciclo teria um rendimento máximo independente da substância utilizada e operaria de forma totalmente reversível Considerando essas informações podese dizer que uma máquina hipotética operando segundo um ciclo de Carnot apresenta 11 12 Trocadores de calor são equipamentos utilizados para implementar a troca de energia térmica entre dois ou mais fluídos sujeitos a diferentes temperaturas Estes equipamentos podem ser classificados de acordo com o processo de transferência Analise as afirmativas abaixo sobre trocadores de calor por contato direto e indireto I Nos trocadores de calor por contato direto os fluídos não se misturam de maneira alguma II Nos trocadores de calor por contato indireto há um fluxo contínuo de calor do fluido quente ao frio através de uma parede que os separa III Nos trocadores de calor por contato indireto os dois fluidos se misturam IV Aplicações comuns de um trocador de contato direto envolvem transferência de massa além de transferência de calor V O custo de construção de um trocador de calor direto é relativamente barato Assinale a alternativa correta 13 Um trocador de calor bitubular com configuração cocorrente é utilizado para resfriar o óleo lubrificante em um sistema industrial com coeficiente global de transferência de calor correspondente a 42 Wm² K O óleo e a água entram a temperaturas de 100 e 30 C e saem com as temperaturas de 68C e 44C respectivamente Qual deve ser área de troca térmica do permutador visto que a taxa de calor deve ser 352 KJs 3809 3040 2465 2149 1497 I apenas III apenas I e II apenas II e III apenas I II e III Classe A Classe B Classe C Classe D Classe E 26875 K 300 K 33125 K 300125 K 3625 K 1035 a 200 kWm² e 1667 Km b 200 kWm² e 1667 Km c 200 kWm² e 1667 Km 514 Wm² 9 Se uma máquina de Carnot cujo rendimento é igual a 70 receber 500 J de calor de sua fonte quente qual será a quantidade de trabalho realizada por essa máquina a cada ciclo 800 J 700 J 480 J 350 J 500 J 10 O ciclo de Carnot proposto pelo físico e engenheiro militar Nicolar Léonard Sadi Carnot no ano de 1824 surgiu com o objetivo de criar um ciclo ideal no qual seria possível obter um melhor rendimento das máquinas térmicas sem levar em consideração as dificuldades térmicas Assim qualquer máquina que operasse com esse tipo de ciclo teria um rendimento máximo independente da substância utilizada e operaria de forma totalmente reversível Considerando essas informações podese dizer que uma máquina hipotética operando segundo um ciclo de Carnot apresenta Rendimento de 100 Espontaneamente o calor flui do corpo mais frio para o mais quente A fonte fria é irrelevante para o ciclo A presença de processos adiabáticos e isotérmicos A presença de processos adiabáticos e não isotérmicos 11 Adaptado Enade 2014 Uma empresa para uma certa aplicação necessita de um motor térmico com potência útil de 4 kW Os fornecedores A e B atenderam a esta especificação e apresentaram suas propostas a um mesmo custo A empresa A apresentou um motor que consome 10000 Js de taxa de calor e trabalha com T1 300 K e T2 1100 K A empresa B apresentou um motor que consome 8000 Js de taxa de calor e trabalha com T1 300 K e T2 800 K Sendo T1 e T2 W e Q respectivamente a temperatura da fonte fria a temperatura da fonte quente a potência desenvolvida e a taxa de calor fornecida Considerando esse contexto avalie as afirmações abaixo I Para calcular o rendimento máximo das máquinas apresentadas podemos usar qualquer uma das expressões abaixo II Qualquer uma das máquinas pode ser utilizada mas a que fornecerá maiores vantagens será a do fornecedor B pois tem um rendimento melhor III Qualquer uma das máquinas pode ser utilizada mas a que fornecerá maiores vantagens será a do fornecedor A pois tem um rendimento melhor IV Nenhuma máquina térmica pode ter rendimento maior que a da máquina de Carnot operando entre as mesmas temperaturas extremas I III e IV III e IV II e IV I e II I II e III 12 Trocadores de calor são equipamentos utilizados para implementar a troca de energia térmica entre dois ou mais fluídos sujeitos a diferentes temperaturas Estes equipamentos podem ser classificados de acordo com o processo de transferência Analise as afirmativas abaixo sobre trocadores de calor por contato direto e indireto I Nos trocadores de calor por contato direto os fluídos não se misturam de maneira alguma II Nos trocadores de calor por contato indireto há um fluxo contínuo de calor do fluído quente ao frio através de uma parede que os separa III Nos trocadores de calor por contato indireto os dois fluídos se misturam IV Aplicações comuns de um trocador de contato direto envolvem transferência de massa além de transferência de calor V O custo de construção de um trocador de calor direto é relativamente barato Assinale a alternativa correta Todas as alternativas estão corretas São corretas apenas as alternativas I III V São corretas apenas as alternativas IV e V São corretas apenas as alternativas II IV e V São corretas apenas as alternativas I e III 13 Um trocador de calor bitubular com configuração cocorrente é utilizado para resfriar o óleo lubrificante em um sistema industrial com coeficiente global de transferência de calor correspondente a 42 Wm² K O óleo e a água entram a temperaturas de 100 e 30 C e saem com as temperaturas de 68C e 44C respectivamente Qual deve ser área de troca térmica do permutador visto que a taxa de calor deve ser 352 KJs 3809 3040 2465 2149 1497 14 Para descrever o funcionamento de uma máquina térmica as transformações de um gás foram representadas em um diagrama da pressão em função do volume No ciclo abaixo observamos que existem transformações a volume constante e a pressão constante Considerando o texto apresentado avalie as afirmações a seguir I A temperatura do gás é maior no ponto A que no ponto C II O gás recebe calor nas transformações AB e BC III Neste ciclo o trabalho foi realizado pelo gás e vale p0V0 I apenas III apenas I e II apenas II e III apenas I II e III Classe A Classe B Classe C Classe D Classe E 26875 K 300 K 33125 K 300125 K 3625 K 3 As superfícies interna e externa de uma parede de tijolos de dimensö peraturas de 20 C e 5 C respectivamente Determine em W a taxa Parede de tijolos 30 cm 20 C 5 C Fonte Termodinâmica recurso eletrônico Yunus A Çengel Michae ed Dados eletrônicos Porto Alegre AMGH 2013 1035 4 Considere uma parede plana com 120 mm de espessura e condutividade térmica igual a 120 WmK Sabese que há condições de regime estacionário quando T1 500 K e T2 700 K Determine o fluxo térmico ax e o gradiente de temperatura dTdx para os sistemas de coordenadas mostrados a 200 kWm² e 1667 Km b 200 kWm² e 1667 Km c 200 kWm² e 1667 Km 5 Na análise de transferência de calor muitas vezes estamos intereª superficiais Tais problemas podem ser resolvidos facilmente sem aos problemas de circuitos elétricos Neste caso a resistência terri transferência de calor corresponde à corrente elétrica Considere uma parede plana consistindo de duas camadas A e B Se a queda de temperatura ao longo da parede é de 18 C assina nesta parede 180 Wm² 153 Wm² 896 Wm² 72 Wm² 514 Wm² 6 Desejase aproveitar o calor da combustão de um resíduo industrial cuja temperatura alcança 900 C utilizandose de uma instalação de motor térmico A fonte fria disponível é água do mar cuja temperatura média anual é de 22 C O calor disponível na combustão do resíduo é de 1000 kW A máxima potência útil da instalação kW é 7484 T₁ 540 R T₂ 1356 R T₃ 3967 R T₄ 1579 R e PME 1186 lbfin² T₁ 540 R T₂ 1459 R T₃ 4161 R T₄ 1589 R e PME 1302 lbfin² T₁ 540 R T₂ 1356 R T₃ 3763 R T₄ 1489 R e PME 1157 lbfin² T₁ 540 R T₂ 1459 R T₃ 4237 R T₄ 1599 R e PME 1254 lbfin² 8 Uma turbina consome 20 toneladash de vapor O vapor entra a 5 MPa e sai a 10 KPa A potência desenvolvida pela turbina é aproximadamente 44 MW 44 KW 18 MW 160 KW 44 kW 9 Se uma máquina de Carnot cujo rendimento é igual a 70 receber 500 J de calor de sua fonte quente qual será a quantidade de trabalho realizada por essa máquina a cada ciclo 350 J A presença de processos adiabáticos e isotérmicos 11 Adaptado Enade 2014 Uma empresa para uma certa aplicação necessita de um motor térmico com potência útil de 4 kW Os fornecedores A e B atenderam a esta especificação e apresentaram suas propostas a um mesmo custo A empresa A apresentou um motor que consome 10000 Js de taxa de calor e trabalha com T1 300 K e T2 1100 K A empresa B apresentou um motor que consome 8000 Js de taxa de calor e trabalha com T1 300 K e T2 800 K Sendo T1 e T2 W e Q respectivamente a temperatura da fonte fria a temperatura da fonte quente a potência desenvolvida e a taxa de calor fornecida Considerando esse contexto avalie as afirmacões abaixo I Para calcular o rendimento máximo das máquinas apresentadas podemos usar qualquer uma das expressões abaixo η 1 T1T2 1 η WQ 2 II Qualquer uma das máquinas pode ser utilizada mas a que fornecerá maiores vantagens será a do fornecedor B pois tem um rendimento melhor III Qualquer uma das máquinas pode ser utilizada mas a que fornecerá maiores vantagens será a do fornecedor A pois tem um rendimento melhor IV Nenhuma máquina térmica pode ter rendimento maior que a da máquina de Carnot operando entre as mesmas temperaturas extremas I III e IV 12 Trocadores de calor são equipamentos utilizados para implementar a troca de energia térmica entre dois ou mais fluídos sujeitos a diferentes temperaturas Estes equipamentos podem ser classificados de acordo com o processo de transferência Analise as afirmativas abaixo sobre trocadores de calor por contato direto e indireto I Nos trocadores de calor por contato direto os fluídos não se misturam de maneira alguma II Nos trocadores de calor por contato indireto há um fluxo contínuo de calor do fluido quente ao frio através de uma parede que os separa III Nos trocadores de calor por contato indireto os dois fluídos se misturam IV Aplicações comuns de um trocador de contato direto envolvem transferência de massa além da transferência de calor V O custo de construção de um trocador de calor direto é relativamente barato São corretas apenas as alternativas II IV e V 13 Um trocador de calor bitubular com configuração cocorrente é utilizado para resfriar o óleo lubrificante em um sistema industrial com coeficiente global de transferência de calor correspondente a 42 Wm² K O óleo e a água entram a temperaturas de 100 e 30 C e saem com as temperaturas de 68C e 44C respectivamente Qual deve ser área de troca térmica do permutador visto que a taxa de calor deve ser 352 KJs 3809 3040 2465 2149 1497 14 Para descrever o funcionamento de uma máquina térmica as transformações de um gás foram representadas em um diagrama da pressão em função do volume No ciclo abaixo observamos que existem transformações a volume constante e a pressão constante Considerando o texto apresentado avalie as afirmações a seguir I A temperatura do gás é maior no ponto A que no ponto C II O gás recebe calor nas transformações AB e BC III Neste ciclo o trabalho foi realizado pelo gás e vale p0V0 I apenas III apenas I e II apenas II e III apenas I II e III