Termodinâmica 1: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 8 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

Lei dos gases ideais

Lei dos gases ideais: pV = nRT
Constante dos gases: R = 8,314 J/(mol·K)
Lei geral dos gases: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
Mols: n = m/M
Temperatura: T[K] = T[°C] + 273,15

Balanço de energia

Calor sensível: Q = ṁ·c_p·ΔT
Calor latente: Q = ṁ·h_fg
Mistura: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Água: c_p ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Máquinas térmicas e refrigeradores

Rendimento: η = W/Q_H = 1 − Q_C/Q_H
Rendimento de Carnot: η_C = 1 − T_C/T_H (kelvin)
COP do refrigerador: COP_R = Q_C/W
COP da bomba de calor: COP_HP = Q_H/W = COP_R + 1
Balanço de energia: Q_H = W + Q_C

Ciclos de potência a gás

Isentrópico, razão de volumes: T₂/T₁ = r^k−1
Isentrópico, razão de pressões: T₂/T₁ = r_p^(k−1)/k
Rendimento do ciclo Otto: η = 1 − 1/r^k−1
Rendimento do ciclo Diesel: η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k(r_c − 1))
Rendimento do ciclo Brayton: η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k
Calor fornecido: Otto: c_v(T₃ − T₂) Diesel, Brayton: c_p(T₃ − T₂)
Trabalho líquido do ciclo Brayton: w = c_p[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]
Rendimentos isentrópicos: w_c = w_c,s/η_c, w_t = η_t·w_t,s
Ar frio: k = 1,4, c_p = 1,005, c_v = 0,718 kJ/(kg·K)

2Exercícios

1.Lei dos gases ideaisMédia

Que volume V ocupam 470 g de CO₂ a 200 kPa e 35 °C? Trate como gás ideal.

m = 470 gM = 44,01 g/molP = 200 kPaT = 35 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

2.Lei dos gases ideaisDifícil

Encontre a massa específica ρ de CH₄ a 200 kPa e 50 °C, tratando como gás ideal.

M = 16,04 g/molP = 200 kPaT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

3.Balanço de energiaMédia

etanol quente resfria água em um trocador de calor em contracorrente sem perda de calor. Encontre a temperatura de saída da água t_out.

ṁ_h = 1,5 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 90 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 30 °C

t_out = °C

4.Balanço de energiaDifícil

mistura de glicol quente aquece água em um trocador que perde para o ambiente 10% do calor liberado pela corrente quente. Encontre a vazão de água ṁ_c necessária.

ṁ_h = 2,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 120 → 70 °Ct: 10 → 40 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Máquinas térmicas e refrigeradoresMédia

Uma máquina térmica recebe calor de uma fonte a 650 °C e rejeita calor para o ambiente a 25 °C. Sua eficiência térmica real é 51%. Encontre sua eficiência de segunda lei η_II, a razão entre a eficiência real e a eficiência de Carnot.

T_H = 650 °CT_L = 25 °Cη = 51%

η_II = %

6.Máquinas térmicas e refrigeradoresDifícil

Uma bomba de calor entrega 5 kW de calor a um sistema de aquecimento a 55 °C, retirando calor de uma fonte a 2 °C. Seu COP real é 35% do COP de Carnot entre essas temperaturas. Encontre a potência elétrica Ẇ que ela consome.

T_H = 55 °CT_L = 2 °Cη_II = 35%Q̇_H = 5 kW

Ẇ = kW

7.Ciclos de potência a gásMédia

Um ciclo Diesel ideal tem taxa de compressão r = 19 e razão de corte r_c = v₃/v₂ = 1,5. No início da compressão o ar está a 300 K. Use as hipóteses de ar-padrão frio: o ar é um gás ideal com calores específicos constantes, k = 1,4, c_p = 1,005 kJ/(kg·K) e c_v = 0,718 kJ/(kg·K). Encontre o calor fornecido q_in por quilograma de ar, em kJ/kg.

r = 19r_c = 1,5T₁ = 300 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

q_in = kJ/kg

8.Ciclos de potência a gásDifícil

Uma usina com turbina a gás opera em um ciclo Brayton com razão de pressões no compressor de 14. O ar entra no compressor a 295 K e na turbina a 1300 K. As duas máquinas são isentrópicas. Use as hipóteses de ar-padrão frio: o ar é um gás ideal com calores específicos constantes, k = 1,4, c_p = 1,005 kJ/(kg·K) e c_v = 0,718 kJ/(kg·K). Encontre o trabalho líquido w_net por quilograma de ar, em kJ/kg.

r_p = 14T₁ = 295 KT₃ = 1300 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3Soluções

1.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 136,8 L

Lei dos gases ideais: PV = nRT, com n = m/M.

Mols

n = 470/44,01 = 10,68 mol

T = 35 + 273,15 = 308,1 K

Volume

V = nRT/P = 10,68·8,314·308,1/200 = 136,8 L

Resposta

V = 136,8 L

2.Lei dos gases ideais

Resposta: ρ = 1,194 kg/m³

Massa específica de um gás ideal: ρ = PM/(RT).

Rearranje a lei dos gases

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 50 + 273,15 = 323,1 K

Massa específica

ρ = 200·16,04/(8,314·323,1) = 1,194 kg/m³

Resposta

ρ = 1,194 kg/m³

3.Balanço de energia

Resposta: t_out = 91,29 °C

Balanço de energia do trocador: sem perdas, ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Calor liberado pela corrente quente

Q = 1,5·2,44·(160 − 90) = 256,2 kW

Calor absorvido pela água

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 30 + 256,2/(1·4,18) = 91,29 °C

Resposta

t_out = 91,29 °C

4.Balanço de energia

Resposta: ṁ_c = 3,23 kg/s

Balanço de energia com perdas: calor liberado = calor absorvido + calor perdido.

Calor liberado

Q_h = 2,5·3,6·(120 − 70) = 450 kW

Calor que chega à água

Q_c = (1 − 0,1)·450 = 405 kW

Vazão de água

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 405/(4,18·30) = 3,23 kg/s

Resposta

ṁ_c = 3,23 kg/s

5.Máquinas térmicas e refrigeradores

Resposta: η_II = 75,33 %

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures T_H and T_L can beat the reversible (Carnot) cycle: η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) and COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). Energy is always conserved: Q_H = W + Q_L.

Temperaturas absolutas

T_H = 650 + 273,15 = 923,1 K

T_L = 25 + 273,15 = 298,1 K

Rendimento de Carnot

η_Carnot = 1 − 298,1/923,1 = 67,7 %

Eficiência de segunda lei

η_II = η/η_Carnot = 51/67,7 = 75,33 %

Resposta

η_II = 75,33 %

6.Máquinas térmicas e refrigeradores

Resposta: Ẇ = 2,307 kW

Temperaturas absolutas

T_H = 55 + 273,15 = 328,1 K

T_L = 2 + 273,15 = 275,1 K

COP de Carnot e COP real

COP_max = 328,1/(328,1 − 275,1) = 6,192

COP = 0,35·6,192 = 2,167

Potência consumida

Ẇ = Q̇_H/COP = 5/2,167 = 2,307 kW

Resposta

Ẇ = 2,307 kW

7.Ciclos de potência a gás

Resposta: q_in = 489,5 kJ/kg

Ciclo Diesel (motor de ignição por compressão): 1→2 compressão isentrópica, 2→3 fornecimento de calor a pressão constante, 3→4 expansão isentrópica, 4→1 rejeição de calor a volume constante. Com taxa de compressão r = v₁/v₂ e razão de corte r_c = v₃/v₂: T₂ = T₁·r^k−1, T₃ = r_c·T₂, q_in = c_p·(T₃ − T₂) e η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k·(r_c − 1)).

Temperaturas

T₂ = 300·19^0,4 = 974,1 K

T₃ = 1,5·974,1 = 1461 K

Calor fornecido a pressão constante

q_in = 1,005·(1461 − 974,1) = 489,5 kJ/kg

Resposta

q_in = 489,5 kJ/kg

8.Ciclos de potência a gás

Resposta: w_net = 358,1 kJ/kg

Ciclo Brayton (turbina a gás): 1→2 compressão isentrópica, 2→3 fornecimento de calor a pressão constante, 3→4 expansão isentrópica na turbina, 4→1 rejeição de calor a pressão constante. Com razão de pressões r_p = P₂/P₁: T₂ = T₁·r_p^(k−1)/k, T₄ = T₃/r_p^(k−1)/k e η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k. Trabalho líquido w = c_p·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]. Com rendimentos isentrópicos, o compressor precisa de w_s/η_c e a turbina fornece η_t·w_s.

Temperaturas isentrópicas

T₂ = 295·14^0,2857 = 627 K

T₄ = 1300/14^0,2857 = 611,6 K

Trabalho do compressor e da turbina

w_c = 1,005·(627 − 295) = 333,7 kJ/kg

w_t = 1,005·(1300 − 611,6) = 691,8 kJ/kg

Trabalho líquido

w_net = 691,8 − 333,7 = 358,1 kJ/kg

Resposta

w_net = 358,1 kJ/kg

Razão de trabalho reverso: w_c/w_t = 48,23%.

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