TA – Termodinâmica Aplicada Exercícios

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2ª Lei da Termodinâmica/Entropia: Sistema Fechado e Volume de Controle

Problema 1: Água, inicialmente como líquido saturado a 100oC, está

contida em um conjunto cilindro-pistão. A água é submetida a um

processo que a leva ao estado correspondente de vapor saturado,

durante o qual o pistão livremente se move ao longo do cilindro. Se a

mudança de estado acontece por transferência de calor da água à

medida que esta percorre um processo internamente reversível a

pressão e temperatura constantes, determine o trabalho e a

quantidade de calor transferida por unidade de massa, kJ/kg.

Resp.: w = 170 kJ/kg ; q = 2257kJ/kg

Problema 2: Água inicialmente como líquido saturado a 100oC, está

contida em um conjunto cilindro-pistão. A água é submetida a um

processo que a leva ao estado correspondente de vapor saturado,

durante o qual o pistão se move livremente ao longo do cilindro. Não

ocorre transferência de calor para a vizinhança. Se a mudança de

estado acontece pela ação do impelidor, determine o trabalho líquido

por unidade de massa, em kJ/kg, e a quantidade de entropia produzida

por unidade de massa, em kJ/kgK.

Resp.: w = -2087,56 kJ/kg ; Sger/m = 6.048kJ/kgK

Problema 3: Durante operação em regime permanente, uma caixa de redução recebe 60kW

através do eixo de entrada e fornece potência através do eixo de saída. Para a caixa de redução

donsiderada como sistema, a taxa de transferência de energia por convecção é,

)( fb TThAQ

Onde h = 0,171kW/m2K é o coeficiente de transferência de

calor, A = 1m2 é a área da superfície exterior da caixa de

redução, Tb = 300K é a temperatura da superfície externa e Tf

= 293 é a temperatura da vizinhança afastada das imediações

da caixa de engrenagens. Para a caixa de engrenagens,

calcule a taxa de transferência de calor e a potência

fornecida através do eixo de saída, ambas em kW.

Resp.: Q = -1,2kW ; W2 = 58,8kW

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Problema 4: Com referência ao problema 3, avalie a taxa de geração de entropia, em kW/K,

para (a) a caixa de marchas como o sistema e (b) um sistema que consiste na caixa de marchas

e em uma parcela suficiente de sua vizinhança, de forma que a transferência de calor ocorra à

temperatura da vizinhança que se encontra afastada da caixa de marchas, Tf = 293K. Comente

os resultados.

Resp.: Sger = 4x10-3kW/K ; Sger = 4,1x10-3kW/K

Problema 5: Uma turbina a vapor opera em regime permanente com condições de entrada de

p1 = 5bar, T1 = 320oC. Vapor deixa a turbina a uma pressão de 1bar. Não ocorre transferência

de calor significativa entre a turbina e a vizinhança, e variações de energia cinética e potêncial

entre a admissão e a descarga poder ser desprezadas. Se a eficiência isoentrópica da turbina é

de 75%, determine o trabalho produzido por unidade de massa de vapor escoando na turbina,

kJ/kg.

Resp.: w = 271,95kJ/kg

Problema 6: No esboço a seguir são mostrados os componentes de uma bomba de calor para

fornecimento de ar aquecido para uma residência. Em regime permanente, R-22 é admitido no

compressor a -5oC e 3,5bar e é comprimido

adiabaticamente até 75oC e 14bar. Do compressor,

o refrigerante passa através do condensador onde é

condensado a líquido a 28oC e 14bar. O refrigerante

então é expandido através de uma válvula de

expansão até 3,5bar, a uma vazão volumétrica de

0,42m3/s e é descarregado a 50oC com uma perda

de carga desprezível. Utilizando o modelo de gás

ideal para o ar e desprezando efeitos de energia

cinética e potencial, (a) determine as taxas de

geração de entropia, em kW/K, para volumes de

controle envolvendo o condensador, o compressor e a válvula de expansão, respectivamente e

(b) Esboce o diagrama TxS

Resp.: Scondensador = 7,95x10-4kW/K ; Scompressor = 17, 5x10-4kW/K ; Sválvula = 9,94x10-4kW/K ;

Problema 7: Para o compressor da bomba de calor do Problema 9, determine a potência, em

kW, e a eficiência isoentrópica. Esboce o diagrama TxS.

Resp.: Wcompressor = -3,11kW ; compressor = 81%