Termodinâmica Segunda Lei da Termodinâmica e Entalpia

Valor da Prova 2 Nota Prova 2 100 Alunoa RA Curso Turma Professora Profª Débora Federici dos Santos Disciplina Termodinâmica Data QUESTÃO 1 10 Uma máquina térmica com uma eficiência de 40 rejeita 1000 kJkg de calor Qual a quantidade de calor que ela recebe QUESTÃO 2 10 Uma usina a vapor com uma potência líquida de 150 MW consome carvão a uma taxa de 60 tonsh Considerando que o poder calorífico do carvão corresponde a 30000 kJkg determine a eficiência global dessa usina QUESTÃO 3 10 Um refrigerador utilizado para resfriar alimentos em uma mercearia deve produzir um efeito de resfriamento de 25000 kJh Seu coeficiente de performance é de 160 Quantos quilowatts de energia irá exigir esse refrigerador para operar QUESTÃO 4 10 Uma bomba de calor é usada para manter uma casa a uma temperatura constante de 23 C A casa está perdendo calor para o ar externo pelas paredes e janelas a uma taxa de 60000 kJh enquanto a energia gerada dentro da casa pelas pessoas luzes e aparelhos chega a 4000 kJh Considerando um COP de 25 determine a potência que deve ser entregue à bomba de calor QUESTÃO 5 10 Um refrigerador operando no ciclo de Carnot reverso necessita de 200 kW de trabalho e rejeita 2000 kW de calor a um reservatório de calor a 27 C Determine a carga de refrigeração do refrigerador em kW e a temperatura da fonte de calor em C Valor da Prova 2 Nota Prova 2 100 QUESTÃO 6 10 Ar inicialmente a uma pressão P1 é comprimido por um compressor de 30 kW até P2 A temperatura do ar é mantida constante a 25 C durante o processo devido à transferência de calor para a vizinhança a 17 C Determine a taxa da variação da entropia do ar QUESTÃO 7 10 Um arranjo pistãocilindro isolado contém 5 L de água líquida saturada a uma pressão constante de 150 kPa Um aquecedor a resistência elétrica dentro do cilindro é ligado e 2200 kJ de energia são transferidos para o vapor de água Determine a variação da entropia da água durante esse processo QUESTÃO 8 10 Uma partição divide um tanque rígido isolado em duas partes iguais Inicialmente uma parte contém 5 kmol de um gás ideal a 250 kPa e 40 C e o outro lado é evacuado A partição é removida e o gás preenche todo o tanque Determine a variação total da entropia durante esse processo QUESTÃO 9 10 Água líquida entra em uma bomba de 25 kW a 100 kPa e uma vazão de 5 kgs 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 é de 0001 m3kg QUESTÃO 10 10 Vapor de água se expande em uma turbina em um processo em regime permanente a uma vazão de 40000 kgh entrando a 8 MPa e 500 C e saindo a 40 kPa como vapor saturado Considerando que a potência gerada pela turbina é de 82 MW determine a taxa de geração de entropia desse processo Considere que a vizinhança está a 25 C Q5 CICLO DE CARNOT REVERSO SENDO W TRABALHO FORNECIDO 2000 kW Qh CALOR REJEITADO 2103 kW Th TEMPERATURA DO RESERVATÓRIO 27 ºC 300 K APLICANDO A 1º LEI Qh QL W QL CARGA DE REFRIGERAÇÃO RETIRADO DA FONTE FRIA 2000 QL 200 QL 1800 kW USANDO COP CARNOT COPc QLW TL Th TL TL TEMPERATURA DA FONTE DE CALOR 1800 200 TL 300 TL 9 300 TL TL 2700 9 TL TL Ri A CARGA DE REFRIGERAÇÃO É DE 1800 kW E A TEMPERATURA DA FONTE DE CALOR É DE 3 C 2700 10 TL TL 270 K 3 ºC Q3 COEFICIENTE DE PERFORMANCE COP COPrep QL W QL CALOR RETIRADO 25103 kJh W TRABALHO W 156 103 kJh 156 103 kJ 1K 3600s 43 kJs 43 kW Ri PARA OPERAR NO REFRIGERADOR IRÁ EXIGIR 43 kW DE ENERGIA Q2 EFICIÊNCIA GLOBAL ηi η Putil Ptf Putil POTÊNCIA UTIL LIQUIDA DE SAÍDA 150103 kW Ptf POTÊNCIA DE ENTRADA CONSUMO DO CARVÃO 60103 kgh COM PODER CALORÍFICO DE 30103 kJkg 60103 kg1k 30103 kJ1kg 1k3600s 5 105 kJs 5 105 kW POTENCIA DE ENTRADA η 15 105 kW 5 105 kW 03 30 Ri A EFICIÊNCIA GLOBAL DA USINA É DE 30 LISTA TERMODINAMICA Q1 EFICIENCIA DA MAQUINA TERMICA η η wQen 1 QrefQen η 04 Qref 10000 KJkg 04 1 10000Qen 10000Qen 06 Qen 16667 kJkg Ri A QUANTIDADE DE CALOR RECEBIDA É DE 16667 KJkg VARIAÇÃO PROPORCIONAL PARA Ṡ Ṡ ṁ Δs ESTIMADA EM 11 kJkg Ṡ 11 11 121 kWK OS RESULTADOS APROXIMADOS BATEM COM OS CALCULADOS APROXIMADAMENTE BALANÇO DE ENTROPIA Ṡ ṁs2 s1 QTn2 Ṡ 1177 67 204298 Ṡ 111 068 Ṡ 11 068 1168 kWK Ri A TAXA DE GERAÇÃO DE ENTROPIA DESSE PROCESSO É DE 1168 kWK RESOLUÇÃO APROXIMADA SEM TABELA VAZÃO MASSICA ṁ ṁ 4 103 kg 1h 1h 3600s 11 kgs ΔH COM BASE NA POTENCIA W ṁ ΔH ΔH Wṁ 820011 745 kJkg 29 Temas W Potencia da bomba 25 kW P1 Pressão de entrada 100 kPa ṁ Vazão massica 5 kgs v Volume especifico da agua 0001 m³kg P2 maior pressão de saída Escoamento estacionario desprezando variações de energia cinetica e potencial W ṁ ΔH SVQ ΔH V P2 P1 pois o liquido é incompressivel Trabalho da bomba W ṁ vP2P1 25 kW 5 kg 0001 m³ P2 100 kPa 5 kg P2 100 50000 P2 5100 kPa Ri A maior pressão que a agua liquida pode atingir na saida da bomba é de 5100 kPa Q 10 Temas em regime permanente ṁ Vazão massica 4010³ kgh Entrada Pe 8 MPa Te 500C Saida Ps 40 kPa vapor sat ṁ Potência gerada 82 MW Tvl2 25C Taxa de entropia Consulta Tabela de vapor Entrada vapor super aquecido h1 3400 kJkg e s1 67 kJkgK Saida vapor saturado h2 2636 kJkg e s277 kJkgK 1ª lei para regime permanente Q W ṁ h2 h1 ā 82 MW 4010³ kgh 2636 3400 Q 8200 kW 11 kgs 764 Q 8404 8200 204 kW Calor rejeitado Pl vizinhança Calculo da variação de entropia ΔS ΔS ms2 s1 Consultando a tabela 7am5 Se Entropia especifico agua sat 14 kJkg Sv vapor sat 72 kJkg Δsmax Sv Se 72 14 58 kJkg Calculo da entropia especifica da mistura usando a fração que vaporiza S Se x Sv Se S 14 021 58 262 kJkg Aplicando ΔS ΔS m s2 s1 ΔS 5 262 14 61 kJK ΔS positiva entropia aumenta pois agua liquida vira vapor Ri A variação de entropia da agua nesse processo é de 61 kJK Q8 TEMOS EM TANQUE RIGIDO V1 V2 V1V2 5 kmol GÁS IDEAL 250 kPa 40ºC VACUO EXPANSÃO LIVRE AO RETIRAR A REPARTIÇÃO ΔS COMO O SISTEMA É ISOLADO Q0 E W0 O GÁS SE EXPANDE PARA O VACUO SEM RESISTENCIA EXPANSÃO LIVRE SENDO VFINAL 2V1 SE ΔU0 ΔT0 ENTÃO ΔS nRlnV2V1 R CONSTANTE UNIVERSAL 8314 SI ΔS 5 103 8314 ln2V1V1 ln 2 069 ΔS 287 103 287 kJk Ri A VARIAÇAO TOTAL DE ENTROPIA DESSE PROCESSO É DE 287 kJK Q7 RESOLUÇAO SEM USO DE TABELAS DE CONSULTA CALCULO DE ΔS APROXIMADO ΔS QτTm ΔS δQrev T ΔS 22000 kJ 373 Tvap 59 kJk APROXIMAÇAO GROSSEIRA APENAS PARA COMPARAÇÃO Q7 TEMOS P 150 kPa AGUA LIQUIDA SATURADA P CONSTANTE V1 5L VOLUME INICIAL 0005 m3 Q 22000 kJ CALOR TRANSFERIDO SISTEMA ISOLADO CONSULTA TABELA DE VAPOR SATURADO VOLUME ESPECIFICO DA AGUA SAT Ve 0001 m3kg MASSA DE AGUA m V Ve 0005 m3 0001 m3kg 5 kg A ENERGIA FORNECIDA EVAPORA PARTE DA AGUA A ENERGIA DE VAPORIZAÇAO DA AGUA A 150 kPa E Hv 20871 kJkg Qvap massa Hv 5 2087 10400 kJ CALOR NECESSARIO PARA EVAPORAR TODA AGUA MAS FORAM FORNECIDAS APENAS 22000 kJ ASSIM PODESE CALCULAR A FRAÇAO X DE AGUA QUE VAPORIZOU X 22000 10400 021 21 Q6 Taxa de variação de entropia em compressão isoterma usando a 1 lei Como ΔU 0 Q W isoterma A taxa de variação da entropia ΔS é calculada como a derivada temporal da entropia usando Q como a taxa de transferência de calor ΔS Q T em isoterma Q w 30 kW TAR 25C 298K ΔS 30 kW 298 K 01 kWk A S do ar diminui compressão e calor sai A S da vizinhança aumenta Processo irreversível esperado para compressores reais Ri A taxa de variação de entropia do ar é de 01 kWk Q4 COP da bomba de calor COPbomba Qh W Qh Calor para aquecer W Trabalho Se a casa perde 60103 kJh mas tem produção de 4103 kJh a bomba precisa repor 60103 4103 56103 kJh Qh COP Qh W 25 56103 w w 224103 kJh 224103 kJ 1h 1h3600s 62 kJs 62 kW Ri A potencia que deve ser entregue à bomba de calor é de 62 kW