CAPÍTULO 1

CONCEITOS E DEFINIÇÕES

1.1 - Na figura 1.1, identifique as fronteiras de cada sistema onde há interações com o meio

1.2 - Como ilustrado na fig. P1.2, corrente elétrica a partir de uma bateria aciona um motor elétrico. O eixo do motor é conectado a um conjunto polia-massa que eleva uma massa. Considerando o conjunto bateria, motor e polia-massa, como um sistema, identifique os locais sobre a fronteira do sistema onde este interage com o seu meio e descreva as mudanças que ocorrem no sistema com o tempo.

Fig. 1.1- Exemplo de um Sistema Fechado. Um gás num conjunto pistão-cilindro

1.3 - Como ilustrado na fig. P1.3, água circula entre o tanque de armazenagem e um coletor solar. Água

aquecida a partir do tanque é usada para fins domésticos. Considerando o coletor solar como um sistema, identifique os locais da fronteira do sistema onde este interage com o meio e descreva os eventos que ocorrem no sistema.

1.4 - Como ilustrado na Fig. P1.5, água para uma mangueira contra incêndio como mostrado a partir de um

poço por um motor a gasolina conectado a uma bomba. Considere o conjunto moto-bomba como um sistema, identifique os locais da fronteira do sistema onde este interage com o meio e descreva os eventos ocorridos no sistema. Repita para um sistema ampliado que incluam a mangueira e o bocal.

1.5 - Um sistema consiste de água líquida em equilíbrio com a mistura gasosa de ar e vapor d´água. Quantas fases estão presentes? O sistema consiste de uma substância pura? Explique. Repita para um sistema consistindo de gelo e água líquida em equilíbrio com uma mistura gasosa de ar e vapor d´água.

1.6 - Um sistema consiste de oxigênio líquido em equilíbrio com o oxigênio vapor. Quantas fases estão presentes? O sistema passa por um processo durante o qual um pouco do líquido é evaporado. Pode o sistema ser visto como inicialmente uma substância pura durante o processo?

1.7 - Um sistema consistindo de água líquida passa por um processo. No fim do processo, um pouco de líquido foi congelado, e o sistema contém água líquida e gelo. Pode o sistema ser visto como substância pura durante o processo?

1.8- Um objeto de massa 10 kg pesa 95 N. Determinea) a aceleração local da gravidade, em m/s2

b) a massa, em kg, e o peso, em N, do objeto no local onde g=9,81 m/s2

1.9- Como mostrado na Fig. 1.6, um manômetro é conectado a um tanque de gás no qual a pressão é 95,67 kPa. O manômetro de líquido de mercúrio, com uma densidade de 13,59 g/cm3. Se g=9,81 m/s2 e a pressão atmosférica 93,0 kPa, calculem

a) a diferença dos níveis de mercúrio no manômetro em cm.b) a pressão manométrica do gás, em kPa.

1.10 - Um manômetro a vácuo indica que a pressão do ar numa câmara fechada é 0,2 bar (vácuo). A pressão do meio atmosférico é equivalente a 750 mm de coluna de mercúrio. A densidade do mercúrio é 13,59 g/cm 3, e a aceleração da gravidade é 9,81 m/s2. Determine a pressão absoluta no interior da câmara, em bar.

1.11 – Uma nova escala de temperatura absoluta é proposta. Nesta escala, a temperatura de gelo da água é de 150 oS e a temperatura de vapor é de 300 oS. Determinar as temperaturas em oC que correspondem a 100 oS e a 400 oS, respectivamente. Qual a razão entre oS e o kelvin?

Capítulo 2

PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS

1) Determine a fase ou as fases num sistema consistindo de H2O nas seguintes condições e trace os diagramas p-v e T-v mostrando os locais de cada estado.(a) p = 5 bar, T = 151,9 oC.(b) p = 5 bar, T = 200 oC(c) T = 200 oC, p = 2,5 MPa.

2) Vapor d´água é aquecido em um tanque rígido, fechado a partir da condição de vapor saturado a 160 oC até a temperatura final de 400 oC. Determine as pressões inicial e final, em bar, e trace os processos nos diagramas T-v e p-v.

3) Determine os valores das propriedades especificadas na seguinte condição: Amônia a p = 8 bar e v = 0,005 m3/kg, determine T em oC e u em kJ/kg.

4) Uma quantidade de água está a 15 MPa e 100 oC. Avalie o volume específico, em m3/kg, e a entalpia específica, em kJ/kg, usando

a) Dados da Tabela de Propriedades da Água Saturada (Líquido-Vapor)b) Dados de Líquido Saturado a partir da Tabela de Propriedades da Água de Líquido Comprimido.

5) Vapor d’água contido em um reservatório rígido fechado. Inicialmente, a pressão e a temperatura do vapor d’água são 15 bar e 240 oC, respectivamente. A temperatura é reduzida como resultado de transferência de calor para a vizinhança. Determine a pressão na qual a condensação se inicia, em bar, e a fração da massa total que se encontra condensada quando a temperatura atinge 100 oC. Qual a percentagem do volume que é ocupada pelo líquido saturado no estado final.

6) 2 kg de Refrigerante 22 são submetidos a um processo para o qual a relação pressão-volume é p.v 1,05 = constante. O estado inicial do refrigerante é estabelecido por p1= 2bar, T1= -20 oC, e a pressão final é p2 = 10 bar. Calcule o trabalho para o processo, em kJ.

7) Determine a temperatura, em K, de 5 kg de ar a uma pressão de 0,3 MPa e um volume de 2,2 m 3. Verifique que o comportamento de gás ideal pode ser assumido pelo ar sob as condições descritas.

8) Água contida em um conjunto cilindro-pistão passa por dois processos em série a partir de um estado inicial onde a pressão é 10 bar e a temperatura é 400 oC.

- Processo 1-2: A água é resfriada quando é comprimida à pressão constante de 10 bar para o estado de vapor saturado.- Processo 2-3: A água é resfriada à volume constante para 150 oC.

(a)- Mostre estes processos nos diagramas T-v e p-v.(b)- Para os processos determine o trabalho, em kJ/kg.

9) 1 kg de ar passa por um ciclo termodinâmico consistindo de 3 processos,- processo 1-2: volume específico constante- processo 2-3: expansão à temperatura constante- processo 2-3: compressão à pressão constante

No estado 1, a temperatura é 300 K, e a pressão é 1,0132 bar. No estado 2, a pressão é 2,0264 bar. Empregando a equação de estado do gás ideal,(a)- mostre o ciclo no diagrama p-v(b)- determine a temperatura no estado 2, em K.(c)- determine o volume específico no estado 3, em m3/kg.

10) Considere um recipiente rígido, fechado contendo água. A pressão é 700 kPa, a massa do líquido saturado é 1,78 kg, e a massa do vapor saturado é 0,22 kg. Calor é adicionado a água até a pressão atingir 8 MPa. Determinar,a) a temperatura , entalpia e a energia interna no estado final;b) plote o processo num diagrama P-v com relação às linhas de saturação.

11) 2 kg de ar são aquecidos a partir de 300 K para 500 K. Determine a variação de entalpia supondoa) calor específico molar do ar dado pela expressão empírica seguinte:Cp = 28,11+0,1967x10-2.T+0,4802x10-5.T2-1,966x10-9.T3 [kJ/kmol.K]

b) tabelas de arc) tabelas de ar com calor específico a temperatura média

12) Vapor saturado sai de uma Turbina a 30 oC, condensando-se no exterior de um tubo com 4 cm de diâmetro externo e 20 m de comprimento, a uma taxa de 45 kg/h. Determine a taxa de transferência de calor do vapor para a água de resfriamento no interior do tubo.

13) Um reservatório rígido com 7 m3 contém 2,3 kg de água a 140 kPa. Determinea) a temperatura,b) a entalpia total,c) a massa de cada fase da água

14) Um dispositivo cilindro-pistão comtém 0,1 m3 de água líquida e 0,9 m3 de vapor d´água em equilíbrio a 800 kPa. Transfere-se calor a pressão constante até que a temperatura atinja 350 oC.a) Qual a temperatura inicial da águab) Determine a massa total da águac) Calcule o volume final.d) Mostre o processo num diagrama P-v cvom as respectivas linhas de saturação.

Capítulo 3

ENERGIA NA FORMA CALOR, TRABALHO E MASSA

3.1

Resposta: 1W2 = 12,0 kJ

Resposta: 1W2 = 7,33 kJ

Resposta: 1W2 = 6,41 kJ

Resposta: 1W2 = 0 kJ

3.2

Resposta:

item b) 1W2 = 371,5 kJ

3.3

Resposta (a)

Resposta (b) 1W2 = 872,5 kJ

Exemplo 3-1_Transferência de Calor por Condução

O telhado de uma casa com aquecimento elétrico possui 6 m de comprimento, 8 m de largura e 0,25 m de espessura e é feito de uma camada plana de concreto cuja condutibilidade térmica é k = 0,8 W/m.oC. As temperaturas das faces interior do telhado, medidas em uma noite, são 15 oC e 4 oC respectivamente, durante um período de 10 horas. Determine (a) a taxa de perda de calor através do telhado naquela noite e (b) o custo dessa perda de calor para o proprietário, se o custo da eletricidade é de R$ 0,50/kWh.

Resposta: (a) = 1,69 kWh; (b) Custo da perda de calor = R$ 8,45.

Resposta: Ttopo = - 3,38 oC. Como esta temperatura está abaixo do Ponto Triplo da água, 0,01 oC, então o vapor d’água contido no ar formará gelo na parte externa do teto do carro.