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 360 g de N₂ a 250 kPa e 60 °C? Trate como gás ideal.

m = 360 gM = 28,01 g/molP = 250 kPaT = 60 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

2.Lei dos gases ideaisDifícil

Encontre a massa específica ρ de CH₄ a 250 kPa e 160 °C, tratando como gás ideal.

M = 16,04 g/molP = 250 kPaT = 160 °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: 180 → 70 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 20 °C

t_out = °C

4.Balanço de energiaDifícil

etanol quente aquece água em um trocador que perde para o ambiente 5% do calor liberado pela corrente quente. Encontre a vazão de água ṁ_c necessária.

ṁ_h = 0,5 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 120 °Ct: 15 → 65 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Máquinas térmicas e refrigeradoresMédia

Uma máquina térmica recebe calor de uma fonte a 550 °C e rejeita calor para o ambiente a 30 °C. Sua eficiência térmica real é 35%. Encontre sua eficiência de segunda lei η_II, a razão entre a eficiência real e a eficiência de Carnot.

T_H = 550 °CT_L = 30 °Cη = 35%

η_II = %

6.Máquinas térmicas e refrigeradoresDifícil

Uma máquina térmica recebe 3100 kJ de calor de um reservatório a 550 °C, produz 1209 kJ de trabalho e rejeita o restante para um reservatório a 15 °C, por ciclo. Encontre a entropia total gerada S_gen por ciclo.

T_H = 550 °CT_L = 15 °CQ_H = 3100 kJW = 1209 kJ

S_gen = kJ/K

7.Ciclos de potência a gásMédia

Um ciclo Diesel ideal tem taxa de compressão r = 19 e razão de corte r_c = v₃/v₂ = 2,2. No início da compressão o ar está a 305 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 = 2,2T₁ = 305 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

q_in = kJ/kg

8.Ciclos de potência a gásDifícil

Um ciclo Brayton ideal opera com razão de pressões no compressor de 12. 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 = 12k = 1,4

η = %

3Soluções

1.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 142,4 L

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

Mols

n = 360/28,01 = 12,85 mol

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

Volume

V = nRT/P = 12,85·8,314·333,1/250 = 142,4 L

Resposta

V = 142,4 L

2.Lei dos gases ideais

Resposta: ρ = 1,114 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 = 160 + 273,15 = 433,1 K

Massa específica

ρ = 250·16,04/(8,314·433,1) = 1,114 kg/m³

Resposta

ρ = 1,114 kg/m³

3.Balanço de energia

Resposta: t_out = 130,5 °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·(180 − 70) = 462 kW

Calor absorvido pela água

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 462/(1·4,18) = 130,5 °C

Resposta

t_out = 130,5 °C

4.Balanço de energia

Resposta: ṁ_c = 0,2218 kg/s

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

Calor liberado

Q_h = 0,5·2,44·(160 − 120) = 48,8 kW

Calor que chega à água

Q_c = (1 − 0,05)·48,8 = 46,36 kW

Vazão de água

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 46,36/(4,18·50) = 0,2218 kg/s

Resposta

ṁ_c = 0,2218 kg/s

5.Máquinas térmicas e refrigeradores

Resposta: η_II = 55,4 %

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 = 550 + 273,15 = 823,1 K

T_L = 30 + 273,15 = 303,1 K

Rendimento de Carnot

η_Carnot = 1 − 303,1/823,1 = 63,17 %

Eficiência de segunda lei

η_II = η/η_Carnot = 35/63,17 = 55,4 %

Resposta

η_II = 55,4 %

6.Máquinas térmicas e refrigeradores

Resposta: S_gen = 2,797 kJ/K

Geração de entropia: ao longo de um ciclo completo o fluido de trabalho não tem variação líquida de entropia. O reservatório quente perde Q_H/T_H e o reservatório frio ganha Q_L/T_L. A soma delas é a entropia gerada, que é zero para um ciclo reversível e positiva para todo ciclo real.

Calor rejeitado

Q_L = Q_H − W = 3100 − 1209 = 1891 kJ

Temperaturas absolutas

T_H = 550 + 273,15 = 823,1 K

T_L = 15 + 273,15 = 288,1 K

Variações de entropia dos reservatórios

ΔS_H = −3100/823,1 = −3,766 kJ/K

ΔS_L = 1891/288,1 = 6,563 kJ/K

S_gen = 6,563 − 3,766 = 2,797 kJ/K

Resposta

S_gen = 2,797 kJ/K

S_gen > 0, então a máquina é possível, mas irreversível.

7.Ciclos de potência a gás

Resposta: q_in = 1194 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 = 305·19^0,4 = 990,4 K

T₃ = 2,2·990,4 = 2179 K

Calor fornecido a pressão constante

q_in = 1,005·(2179 − 990,4) = 1194 kJ/kg

Resposta

q_in = 1194 kJ/kg

8.Ciclos de potência a gás

Resposta: η = 50,83 %

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 − 1/12^0,2857 = 1 − 1/2,034 = 50,83%

Resposta

η = 50,83%

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