Lista 1-2020 1

Um tanque rígido de 2 m3 inicialmente contém ar a 100 kPa e 22°C. O tanque está conectado a uma linha de alimentação por meio de uma válvula. O ar seco na linha é de 600 kPa e 22°C. A válvula é aberta e o ar entra no tanque até que a pressao do mesmo atinja a pressão da linha. Nesse instante a válvula é fechada. Um termômetro colocado no tanque indica que a temperatura do ar no estado final é de 77°C. Determine (a) a massa do ar que entrou no tanque e (b) a quantidade de calor transferida Respostas: (a) 9,58 kg, (b) Qs = 339 kj Um tanque rígido de 0,3 m³ está cheio de água líquida saturada a 200°C. Uma válvula na parte inferior do tanque é aberta e o líquido é drenado do tanque. Calor é transferido para a água de forma que a temperatura no tanque permaneça constante. Determine a quantidade de calor que deve ser transferida até quando metade da massa total tiver sido drenada. Um arranjo pistão-cilindro vertical isolado contém 10 kg de água, sendo que 6 kg estão na fase vapor. A massa do pistão é tal que mantém uma pressão constante de 200 kPa dentro do cilindro. Vapor a 0,5 MPa e 350°C de uma linha de alimentação entra no cilindro até que todo o líquido do cilindro seja vaporizado (veja a figura). Determine (a) a temperatura final no cilindro e (b) a massa do vapor que entrou. Respostas: (a) 120,2°C, (b) 19,07 kg. Universidade Federal de Santa Catarina Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Disciplina: EMC 410028 Fundamentos da Termodinâmica Prof. Júlio César Passos 1ª Lista: Revisão sobre 1ª e 2ª leis Parte B: Segunda lei para Sistemas abertos e fechados Uma bomba de calor é usada para manter uma casa a 22°C pela extração de calor do ar externo em um dia em que a temperatura do ar externo é de 2°C. Calcula-se que a casa perca calor a uma taxa de 110.000 kJ/h e que a bomba de calor consuma 5 kW de energia elétrica quando em operação. Essa bomba de calor tem potência suficiente para realizar o serviço? Uma bomba de calor de Carnot deve ser usada para aquecer uma casa e mantê-la a 20°C no inverno. Em um dia com temperatura externa média contínua de cerca de 2°C, calcula-se que a casa perca calor a uma taxa de 82.000 kJ/h. Se a bomba de calor consome 8 kW de potência quando em funcionamento, determine (a) quanto tempo a bomba de calor deverá funcionar nesse dia; (b) o custo total de aquecimento, considerando um preço médio de $0,085/kWh para a eletricidade; e (c) o custo de aquecimento para o mesmo dia se for usado o aquecimento à resistência em vez de uma bomba de calor. Respostas: (a) 4,19 h, (b) $2,85, (c) $46,47 Um refrigerador comercial com refrigerante-134a como fluido de trabalho é utilizado para manter o espaço refrigerado em −35°C, rejeitando o calor para a água que entra no condensador a 18°C, a uma taxa de 0,25 kg/s, e que dele sai a 26°C. O refrigerante entra no condensador a 1,2 MPa e 50°C e sai à mesma pressão com uma queda de super-resfriamento de 5°C. Se o compressor consumir 3,3 kW de potência, determine (a) o fluxo de massa do refrigerante, (b) a carga de refrigeração, (c) o COP e (d) a potência mínima entregue ao compressor para a mesma carga de refrigeração. Considere um ciclo de máquina térmica de Carnot executado em um sistema com escoamento em regime permanente, utilizando vapor d'água como fluido de trabalho. O ciclo tem uma eficiência térmica de 30% e o vapor d'água muda de líquido saturado para vapor saturado a 275°C, durante o processo de adição de calor. Se a vazão em massa do vapor d'água for de 3 kg/s, determine a potência produzida por essa máquina em kW. Uma bomba de calor com COP de 2,4 é utilizada para aquecer uma casa. Enquanto está funcionando, a bomba de calor consome 8 kW de energia elétrica. Se a casa estiver perdendo calor para o lado de fora a uma taxa média de 40.000 kJ/h e a temperatura da casa for de 3°C no momento em que a bomba é ligada, determine quanto tempo levará para que a temperatura da casa chegue a 22°C. Suponha que a casa esteja bem fechada (ou seja, não há infiltração de ar) e considere que toda a massa dentro da casa (ar, mobília etc.) seja equivalente a 2000 kg de ar. Um tanque rígido, bem isolado, contém 2 kg de uma mistura saturada de líquido e vapor d'água a 100 kPa. Inicialmente, três quartos da massa estão na fase líquida. Um aquecedor à resistência elétrica é colocado no tanque, ligado, e em funcionamento até que todo o líquido do tanque evapore. Determine a variação da entropia do vapor d'água durante esse processo. Resposta: 8,10 kJ/K Um tanque rígido de 0,5 m³ contém, inicialmente, refrigerante-134a a 200 kPa e título de 40%. Calor é então transferido para o refrigerante a partir de uma fonte a 35°C até que a pressão atinja 400 kPa. Determine (a) a variação da entropia do refrigerante, (b) a variação de entropia da fonte de calor e (c) a variação total de entropia do processo. Respostas: (a) 3,439 kJ/K, (c) 0,441 kJ/K. Um arranjo pistão-cilindro isolado contém 0,05 m³ de vapor de refrigerante-134a saturado à pressão de 0,8 MPa. O refrigerante então se expande de modo reversível até que a pressão caia para 0,4 MPa. Determine (a) a temperatura final do cilindro e (b) o trabalho realizado pelo refrigerante. Refrigerante-134a entra em um compressor adiabático como vapor saturado a 160 kPa a uma vazão de de 2 m³/min e é comprimido até uma pressão de 900 kPa. Determine a potência mínima que deve ser fornecida ao compressor. Ar é comprimido em regime permanente por um compressor de 5 kW de 100 kPa e 17°C até 600 kPa e 167°C a uma vazão de 1,6 kg/min. Durante esse processo, ocorre transferência de calor entre o compressor e a vizinhança a 17°C. Determine a taxa de variação da entropia do ar durante esse processo. Resposta: −0,0025 kW/K. Considere uma usina de potência a vapor operando entre os limites de pressão de 10 MPa e 20 kPa. Vapor d'água entra na bomba como líquido saturado e sai da turbina como vapor saturado. Determine a razão entre o trabalho produzido pela turbina e o trabalho consumido pela bomba. Assuma que todo o ciclo seja reversível e que as perdas de calor da bomba e da turbina sejam desprezíveis. Água líquida entra em uma bomba de 25 kW à pressão de 100 kPa e a uma vazão de 5 kg/s. Determine a maior pressão que a água líquida pode atingir na saída da bomba. Despreze as variações das energias cinética e potencial da água, e considere que o volume específico da água seja de 0,001 m³/kg. Resposta: 5100 kPa. Vapor d'água entra em uma turbina adiabática a 8 MPa e 500°C com uma vazão de 3 kg/s e sai a 30 kPa. A eficiência isentrópica da turbina é de 0,90. Desprezando a variação da energia cinética do vapor d'água, determine (a) a temperatura na saída da turbina e (b) a potência produzida pela turbina. Respostas: (a) 69,1°C, (b) 3054 kW. Refrigerante-134a é estrangulado de 900 kPa e 35°C até 200 kPa. Calor é perdido pelo refrigerante na quantidade de 0,8 kJ/kg para a vizinhança a 25°C. Determine (a) a temperatura de saída do refrigerante e (b) a geração de entropia durante esse processo. Água fria (c_p = 4,18 kJ/kg °C) destinada a um chuveiro entra em um trocador de calor de duplo-tubo e de parede fina, bem isolado, com escoamento em correntes opostas a 15°C e com uma vazão de 0,25 kg/s. A água fria é aquecida até 45°C por água quente (c_p = 4,19 kJ/kg °C) que entra a 100°C a uma vazão de 3 kg/s. Determine (a) a taxa de transferência de calor e (b) a taxa de geração de entropia no trocador de calor. 39) Um tanque isolado contendo 0,4 m³ de vapor d'água saturado a 500 kPa está conectado a um arranjo pistão-cilindro isolado que está inicialmente vazio. A massa do pistão é tal que é necessária uma pressão de 150 kPa para elevá-lo. A válvula é então ligeiramente aberta e parte do vapor escoa para o cilindro, elevando o pistão. Esse processo continua até que a pressão do tanque caia a 150 kPa. Assumindo que o vapor restante dentro do tanque tenha passado por um processo reversível e adiabático, determine a temperatura final (a) do tanque rígido e do cilindro, c) W12 , d) ΔS_total