Lista de Exercícios I-2021 2

Universidade Federal de Santa Catarina Centro Tecnológico - Departamento de Engenharia Mecânica EMC5425 – Fenômenos de Transporte - 2021.1 - Turma: 04211 e 03201 Prof. Allan Ricardo Starke Lista de Exercícios I – 23/06/2021 1) Liste alguns dos papeis que o carvão, gás natural, e petróleo desempenham em nossas vidas. Discuta as preocupações ambientais, políticas e sociais em relação ao uso de combustíveis fósseis. Repita a análise para a energia nuclear. 2) Uma pessoa regula o monocomando (misturador de água fria e quente) de um chuveiro a uma temperatura desejada, como ilustrado pela figura. Em algum momento, a máquina de lavar louça instalada na mesma tubulação do chuveiro é ligada, em sequência a temperatura da água de banho se torna muito fria. Explique por que isso ocorre. 3) Um trabalhador alega que a sua xícara de café frio foi aquecida até 80° C absorvendo calor do ambiente, que estava a 25 °C. Há alguma verdade nessa afirmação? Esse processo viola alguma lei da termodinâmica? 4) Uma piscina com volume 𝑉 [𝑚3] será enchida com água utilizando uma mangueira com diâmetro 𝐷 [𝑚]. Se a velocidade média de discarga é 𝑉 [𝑚/𝑠] e o tempo de enchimento é 𝑡 [𝑠], obtenha uma relação para o volume de água na piscina em termos das variáveis em consideração. 5) Como a ciência da transferência de calor se difere da termodinâmica? 6) O que é um processo de quase-equilíbrio (quase-estático). Qual a sua importância para a engenharia. Defina os processos isotérmicos, isobáricos e isocórico. 7) Uma nova escala absoluta de temperatura é proposta. Nessa escala o ponto de gelo da água é 150°S e o ponto de vapor é 300 °S. Determine os valores de temperatura em °C correspondentes a 100 °S e 400 °S. Qual é a proporção do tamanho do °S em relação a escala Kelvin. 8) A água em um tanque é pressurizada com ar. A pressão é medida utilizando um manômetro multi-fluido, conforme a figura. Determine a pressão manométrica do ar no tanque se ℎ1 = 0.2 𝑚, ℎ2 = 0.3 𝑚, e ℎ3 = 0.4 𝑚. Considere as densidades da água, óleo e mercúrio iguais as 1000 𝑘𝑔/𝑚3, 850 𝑘𝑔/𝑚3 e 13600 𝑘𝑔/𝑚3, respectivamente 9) O barômetro de um hiker mostra 750 𝑚𝑏𝑎𝑟𝑠 no início da rota, e 650 𝑚𝑏𝑎𝑟𝑠 no final. Desconsiderando os efeitos da variação da aceleração da gravidade, determine a distância vertical do caminhante. Assuma uma densidade média do ar de 1.20 𝑘𝑔/𝑚3 10) Um objeto com massa de 10 kg pesa 95 N. Determine: a) a aceleração local da gravidade em m/s2; b) a massa em kg, o peso em N do mesmo objeto em uma localização que g = 9.81 m/s2; 11) Um gás contido em um sistema cilindro-pistão é submetido a um ciclo termodinâmico com os seguintes processos: Processo 1-2: Compressão com 𝑝𝑉 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒, de 𝑝1 = 1 𝑏𝑎𝑟, 𝑉1 = 1.0 𝑚3 até 𝑉2 = 0.2 𝑚3; Processo 2-3: Expansão a pressão constante até 𝑉3 = 1.0 𝑚3 Processo 3-1: Volume Constante. Desenhe o ciclo em um diagrama p-V, identificando os estados com os seus valores de pressão e volume. 12) 0.5 kg de um gás contido em um sistema cilindro-pistão sofre um processo a pressão constante a 4 𝑏𝑎𝑟, iniciando em 𝑣1 = 0.72 𝑚3/𝑘𝑔. Considerando o gás como sistema, o trabalho é -84 kJ, determine o volume final em 𝑚3. 13) Conforme a ilustração, 5 𝑘𝑔 de vapor contido em um cilindro-pistão sofre uma expansão do estado 1, o qual a energia interna é 𝑢1 = 2709.9 𝑘𝐽/𝑘𝑔, até o estado 2, em que 𝑢2 = 2659.6 𝑘𝐽/𝑘𝑔. Durante o processo, 80 𝑘𝐽 de calor é transferido ao vapor. Além disso, 18.5 kJ são transferidos ao sistema por um agitador na forma de trabalho. Não há variações significativas na energia cinética e potencial do vapor. Determine a energia transferida por trabalho do vapor para o pistão durante o processo, em 𝑘𝐽. 14) Gás contido em um cilindro-pistão é ilustrado na figura abaixo. Inicialmente a face do pistão está em 𝑥 = 0 e a mola não exerce força sobre ele. Como resultado da transferência de calor, o gás expande, elevando o pistão até atingir o ponto de parada (calços). Nesse ponto a face do pistão está localizada em 𝑥 = 0.06 𝑚 e a transferência de calor cessa. A força exercida pela mola no pistão quando o gás expande varia linearmente com a posição 𝑥, portanto, 𝐹𝑚𝑜𝑙𝑎 = 𝑘𝑥. Onde 𝑘 = 9000 𝑁/𝑚. Desconsiderando o atrito entro o cilindro e o pistão e considerando 𝑔 = 9.81 𝑚/𝑠2, determine: a) Qual a pressão inicial do gás, em 𝑘𝑃𝑎; b) Determine o trabalho realizado pelo gás em 𝐽; c) Se os valores da energia interna do gás nos estados iniciais e finais são, respectivamente, 210 e 335 𝑘𝐽/𝑘𝑔. Calcule a transferência de calor em 𝐽. 15) Determina a fase ou fases do sistema consistindo em H2O para as seguintes condições, ilustre-os em diagramas 𝑝 − 𝑣 e 𝑇 − 𝑣, indicando cada estado a) 𝑝 = 5 𝑏𝑎𝑟, 𝑇 = 151.9 °𝐶 b) 𝑝 = 5 𝑏𝑎𝑟, 𝑇 = 200 °𝐶 c) 𝑇 = 200 °𝐶, 𝑝 = 2.5𝑀𝑃𝑎 d) 𝑇 = 160 °𝐶, 𝑝 = 4.8 𝑏𝑎𝑟 e) 𝑇 = −12 °𝐶, 𝑝 = 1 𝑏𝑎𝑟 16) Dados disponíveis em tabelas termodinâmicas normalmente não caem exatamente no grid de valos disponibilizados nessas, sendo necessário realizar interpolação linear para determinar os estados requeridos. A tabela seguinte apresenta valores de volume específico em função da temperatura para dois valores de pressão. Determine: a) Volume específico para 𝑇 = 240 °𝐶, 𝑝 = 1.25 𝑀𝑃𝑎 b) Temperatura para 𝑝 = 1.5 𝑀𝑃𝑎, 𝑣 = 0.1555 𝑚3/𝑘𝑔 c) Volume específico para 𝑇 = 220 °𝐶, 𝑝 = 1.4 𝑀𝑃𝑎 17) Utilizando as tabelas termodinâmicas da água, determine as propriedades específicas para os estados indicados. Para cada caso, ilustre os estados em diagramas 𝑝 − 𝑣 e 𝑇 − 𝑣. a) 𝑣 e 𝑢 para 𝑝 = 3 𝑏𝑎𝑟, 𝑇 = 240 °𝐶 b) 𝑇 e 𝑢 para 𝑝 = 3 𝑏𝑎𝑟, 𝑣 = 0.5 𝑚3/𝑘𝑔 c) 𝑣 e ℎ para 𝑇 = 400 °𝐶, 𝑝 = 10 𝑏𝑎𝑟 d) 𝑝 e 𝑢 para 𝑇 = 320 °𝐶, 𝑣 = 0.03 𝑚3/𝑘𝑔 e) 𝑣 e h para 𝑝 = 28 𝑀𝑃𝑎 𝑏𝑎𝑟, 𝑇 = 520 °𝐶 f) 𝑝 e 𝑣 para 𝑇 = 100 °𝐶, 𝑥 = 60 % g) 𝑝 e ℎ para 𝑇 = 10 °𝐶, 𝑣 = 100 𝑚3/𝑘𝑔 h) 𝑣 e 𝑢 para 𝑝 = 4 𝑀𝑃𝑎, 𝑇 = 160 °𝐶 18) 5 kg de água, inicialmente no estado de vapor saturado a 100 𝑘𝑃𝑎, é resfriado até o estado de líquido saturado enquanto a sua pressão é mantida constante. Determine o trabalho e calor do processo, em 𝑘𝐽. Mostre que a transferência de calor é igual a variação da entalpia da água para esse caso. 19) Uma mistura de líquido-vapor de H2O com um título inicial de 25% é condita em um cilindro- pistão conforme a figura. A massa do pistão é 40 𝑘𝑔 e seu diâmetro é 10 𝑐𝑚. A pressão atmosférica do ambiente é 1 𝑏𝑎𝑟. As posições iniciais e finais estão apresentada no diagrama. Ao passo que a água é aquecida, a pressão dentro do cilindro é mantida constante até o ponto que o pistão atinge o topo e para. Calor continua sendo entregue até a pressão atingir 3 𝑏𝑎𝑟. Desconsidera o atrito e considere 𝑔 = 9.81 𝑚/𝑠2. Determine o calor entregue ao sistema. Um tanque rígido inicialmente contendo 3 𝑘𝑔 de ar a 500 𝑘𝑃𝑎 e 290 𝐾. O tanque é conectado por uma valvula a um cilindro-pistão orientado verticalmente e contendo 0.05 𝑚3 de ar inicialmente a 200 𝑘𝑃𝑎 e 290 𝐾. Embora a valvula esteja fechada, um pequeno vazamento permite ar escoar para o cilintro até a pressão do tanque atingir 200 𝑘𝑃𝑎. O peso do pistão e a pressão atmosférica mantem uma pressão constante de 200 𝑘𝑃𝑎 no cilindro. Devido a transferencia de calor a temperatura permanece constante a 290 𝐾. Para o ar, determine a quantidade total de energia transferida por calor e trabalho. Assuma comportamento de gás ideal. 20) Um tanque rígido de 2 m3 inicialmente contém ar cuja densidade é 1,18 kg / m3. O tanque está conectado a uma linha de alimentação de alta pressão através de uma válvula. A válvula é aberta e o ar pode entrar o tanque até que a densidade no tanque aumente para 5,30 kg / m3. Determine a massa de ar que entrou no tanque. 21) Em usinas a vapor, aquecedores de água de alimentação abertos são frequentemente utilizados para aquecer a água de alimentação, misturando-a com o vapor vazou da turbina em algum estágio intermediário. Considere um aquecedor de água de alimentação aberto que opera a uma pressão de 1000 kPa. Água de alimentação a 50 ° C e 1000 kPa deve ser aquecida com vapor superaquecido a 200 ° C e 1000 kPa. Em um ideal aquecedor de água de alimentação, a mistura deixa o aquecedor saturado líquido na pressão da água de alimentação. Determine a proporção do taxas de fluxo de massa da água de alimentação e do vapor superaquecido para este caso. 22) Conforme mostrado na Fig. componentes eletrônicos montados em uma placa plana é resfriada pelo fluxo de ar sobre a superfície superior e por água líquida circulando através de um tubo em U ligado à placa. No estado estacionário, a água entra no tubo a 20 C e uma velocidade de 0,4 m / se sai a 24 C com uma mudança desprezível na pressão. Os componentes elétricos recebem 0,5 kW de energia elétrica. A taxa de transferência de calor da parte superior dos componentes eletrônicos montados em placa é estimada em 0,08 kW. Energia cinética e potencial efeitos podem ser ignorados. Determine o diâmetro do tubo, em cm.