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1 Estudo Dirigido de BAC014 – 2º Semestre de 2015: resolva os exercícios abaixo sobre a teoria
1a Lei para Sistemas:
1. Um tanque rígido contem 20 kg de água a 80 C. Se o título da mistura é 0,5, determine as propriedades termodinâmicas: a) volume específico; b) energia interna especifica; c) entalpia especifica; d) volume total do tanque.
2. Pede-se determinar a energia interna de uma mistura de líquido + vapor em equilíbrio, sabendo-se que a pressão interna é de 4 MPa e o volume específico da mistura é de 0,022 m3/kg.
3. Considere 20 kg de água dentro de um recipiente com pistão na pressão de 2 MPa e título de 25%. Energia é transferida ao sistema (água) até que a condição de vapor saturado seco seja alcançada. Pede-se determinar: a) a variação de energia interna, b) o trabalho produzido e c) o calor trocado neste processo.
4. Um processo isométrico se inicia com água na condição (P1 = 9 MPa, T1 = 900 C) e termina na pressão de 0,50 MPa. Pede-se determinar o calor trocado.
5. Uma cápsula contendo 0,002 m3 de água líquida na pressão de 20 atm e 40 C é colocada dentro de um recipiente maior de volume 0,5 m3 que está inicialmente submetido a uma pressão muito baixa. A cápsula é rompida de forma que água evapora, devido à pressão externa ser muito baixa, ocupando assim todo o volume. Determine a condição final da água, considerando que o recipiente seja capaz de trocar calor com o ambiente externo de forma que ao final a temperatura seja também de 40 C. Determine a troca de calor com o exterior.
6. Uma cápsula contem 2 kg de líquido saturado na pressão de 2 MPa. A cápsula se rompe e a água se expande, de forma a ocupar todo o volume. A pressão final é 300 kPa. O volume final é estimado em 0,5 m3. Determine a quantidade de vapor produzido desta maneira e a variação de energia interna do processo.
7. Vapor d’água na pressão de 200 kPa e título de 0,20 expande-se em um equipamento através de um processo politrópico durante o qual a relação P.v1,3 = cte. é válida. Isto ocorre até a pressão de 100 kPa. Deseja-se conhecer o trabalho trocado entre os dois processos.
8. Vapor d’água na pressão de 2 MPa e temperatura 400 C percorre um processo isobárico até que o título alcance 25%. Pede-se o calor trocado neste processo.
2 9. Deseja-se produzir uma mistura de título 15% de água saturada à pressão de 1 MPa, a partir de vapor saturado seco na pressão de 150 kPa. Isto pode ser feito de duas maneiras, sempre utilizando um conjunto cilindro-pistão: maneira (1): a pressão é aumentada, em um processo isométrico até que o valor de 1 MPa seja alcançado. Neste ponto, o pistão comprime a água até que o título desejado (15%) seja alcançado. maneira (2): o pistão comprime a água até que o volume desejado (correspondente à pressão de 1 MPa e título de 15 %) seja alcançado. Neste ponto, energia é cedida à mistura até que a pressão de 1 MPa seja alcançada. Pede-se que se determine, justificando, a maneira mais eficiente de se obter o desejado e o calor trocado neste melhor processo.
1a Lei para Volumes de Controle:
1. Calcular o calor trocado em uma caldeira, considerando o regime permanente, sabendo-se que na entrada, temos água na fase líquida (pressão de 5 MPa) e na saída a condição é de vapor saturado.
2. A partir do exercício anterior, considere que a condição de saída seja a de vapor superaquecido à temperatura de 500 C. Qual é o novo valor para o calor trocado? Suponha, finalmente, que a condição de entrada do líquido seja de temperatura igual a 30 C. Qual é o novo valor do calor?
3. Uma turbina recebe vapor superaquecido a 400 C e 2 MPa de pressão. A potência desenvolvida é de 20 khp. Na descarga da turbina, o vapor está à pressão de 50 kPa e o título é de 95 %. A perda de calor na turbina é estimada em 7,5 % da potência desenvolvida. Pede-se determinar a vazão mássica.
4. Considere um misturador de um chuveiro residencial no qual água quente a 70 C é misturada com água fria a 22 C. Deseja-se produzir uma corrente contínua de água misturada a 43 C. Pede-se determinara a razão entre as massas, supondo que a pressão de trabalho seja de 50 kPa, manométrica.
5. Refrigerante R-12 deve ser resfriado por água em um condensador. O refrigerante entra no condensador com uma vazão mássica de 6 kg/min a 1 MPa e 70 C, saindo a 35 C. Água de resfriamento entra a 300 kPa e 15 C, saindo a 25 C. Desprezando as quedas de pressão, as variações de energia cinética e de potencial, determine (a) a vazão mássica da água de resfriamento necessária e (b) a troca de calor entre o refrigerante e a água.
6. O sistema de aquecimento elétrico de ar utilizado em países frios consiste em um duto com resistências elétricas. Ar é aquecido enquanto escoa. Considere um sistema de 1,5 kW. Ar entra na seção de aquecimento a 100 kPa e 17 C com uma vazão mássica de 1500 m3/mim. Se calor for perdido do ar para o meio ambiente externo à taxa de 200 W, determine a temperatura de saída do ar.
3 7. Vapor d’água a 0,1 MPa e 150 C entra em um difusor na velocidade de 200 m/s, saindo como vapor saturado a 120 C, com velocidade de 50 m/s. A área de saída do difusor é de 0,08 m 2. Determine (a) a vazão mássica do vapor, (b) a taxa de troca de calor e (c) a área de entrada do difusor
8. Vapor d'água a 3 MPa e 400 C entra em um bocal adiabático com a velocidade de 40 m/s, saindo na pressão de 2,5 MPa e 300 m/s. Determine (a) a temperatura de saída e (b) a razão entre as áreas de entrada e de saída.
9. Ar entra em um compressor de uma instalação de potência baseada em turbinas a gás na condição ambiente (100 kPa e 25 C), em baixa velocidade. A descarga é feita na pressão de 1 MPa e temperatura de 327 C, com velocidade de 120 m/s. O compressor é resfriado à taxa de 1500 kJ/min, enquanto que a potência do compressor é de 300 kW. Determine a vazão mássica de ar através do compressor.
