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 150 g de Ar a 400 kPa e 60 °C? Trate como gás ideal.

m = 150 gM = 39,95 g/molP = 400 kPaT = 60 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

2.Lei dos gases ideaisDifícil

Encontre a massa específica ρ de Ar a 350 kPa e 80 °C, tratando como gás ideal.

M = 39,95 g/molP = 350 kPaT = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

3.Balanço de energiaMédia

óleo leve 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 = 2 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 140 → 100 °Cṁ_c = 2 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 20 °C

t_out = °C

4.Balanço de energiaDifícil

óleo leve quente aquece água em um trocador que perde para o ambiente 15% do calor liberado pela corrente quente. Encontre a vazão de água ṁ_c necessária.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 100 °Ct: 25 → 45 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.Máquinas térmicas e refrigeradoresMédia

Uma máquina térmica opera entre um reservatório quente a 675 °C e um reservatório frio a 5 °C. Ela recebe 4000 kJ de calor. Encontre o maior trabalho W_max que ela poderia produzir.

T_H = 675 °CT_L = 5 °CQ_H = 4000 kJ

W_max = kJ

6.Máquinas térmicas e refrigeradoresDifícil

Uma máquina térmica de Carnot recebe 100 kW de calor de uma fonte a 500 °C e rejeita calor para o ambiente a 20 °C. Todo o seu trabalho aciona um refrigerador de Carnot que retira calor de um freezer a 0 °C e também rejeita calor para o ambiente a 20 °C. Encontre a taxa Q̇_L com que o calor é retirado do freezer.

T_H = 500 °CT₀ = 20 °CT_L = 0 °CQ̇_H = 100 kW

Q̇_L = kW

7.Ciclos de potência a gásMédia

Um ciclo Diesel ideal tem taxa de compressão r = 22 e razão de corte r_c = v₃/v₂ = 2. No início da compressão o ar está a 310 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 a temperatura T₃ no fim do fornecimento de calor, em K.

r = 22r_c = 2T₁ = 310 Kk = 1,4

T₃ = K

8.Ciclos de potência a gásDifícil

Um ciclo Brayton ideal opera com razão de pressões no compressor de 16. 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 seu rendimento térmico η em porcentagem.

r_p = 16k = 1,4

η = %

3Soluções

1.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 26 L

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

Mols

n = 150/39,95 = 3,755 mol

T = 60 + 273,15 = 333,1 K

Volume

V = nRT/P = 3,755·8,314·333,1/400 = 26 L

Resposta

V = 26 L

2.Lei dos gases ideais

Resposta: ρ = 4,762 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 = 80 + 273,15 = 353,1 K

Massa específica

ρ = 350·39,95/(8,314·353,1) = 4,762 kg/m³

Resposta

ρ = 4,762 kg/m³

3.Balanço de energia

Resposta: t_out = 40,1 °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 = 2·2,1·(140 − 100) = 168 kW

Calor absorvido pela água

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 168/(2·4,18) = 40,1 °C

Resposta

t_out = 40,1 °C

4.Balanço de energia

Resposta: ṁ_c = 0,6406 kg/s

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

Calor liberado

Q_h = 1·2,1·(130 − 100) = 63 kW

Calor que chega à água

Q_c = (1 − 0,15)·63 = 53,55 kW

Vazão de água

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 53,55/(4,18·20) = 0,6406 kg/s

Resposta

ṁ_c = 0,6406 kg/s

5.Máquinas térmicas e refrigeradores

Resposta: W_max = 2827 kJ

Limites da segunda lei: nenhum ciclo operando entre reservatórios às temperaturas absolutas T_H e T_L supera o ciclo reversível (de Carnot): η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) e COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). A energia sempre se conserva: Q_H = W + Q_L.

Temperaturas absolutas

T_H = 675 + 273,15 = 948,1 K

T_L = 5 + 273,15 = 278,1 K

Rendimento de Carnot

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 278,1/948,1 = 70,66 %

Trabalho máximo

W_max = η_max·Q_H = 0,7066·4000 = 2827 kJ

Resposta

W_max = 2827 kJ

6.Máquinas térmicas e refrigeradores

Resposta: Q̇_L = 847,9 kW

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 = 500 + 273,15 = 773,1 K

T₀ = 20 + 273,15 = 293,1 K

T_L = 0 + 273,15 = 273,1 K

Trabalho da máquina

η = 1 − 293,1/773,1 = 0,6208

Ẇ = 0,6208·100 = 62,08 kW

Calor retirado pelo refrigerador

COP_R = 273,1/(293,1 − 273,1) = 13,66

Q̇_L = 13,66·62,08 = 847,9 kW

Resposta

Q̇_L = 847,9 kW

7.Ciclos de potência a gás

Resposta: T₃ = 2135 K

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)).

Fim da compressão

T₂ = 310·22^0,4 = 1067 K

Fornecimento de calor a pressão constante

T₃ = r_c·T₂ = 2·1067 = 2135 K

Resposta

T₃ = 2135 K

8.Ciclos de potência a gás

Resposta: η = 54,71 %

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.

Rendimento térmico

η = 1 − 1/16^0,2857 = 1 − 1/2,208 = 54,71%

Resposta

η = 54,71%

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