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

Um tanque de 30 L contém 370 g de CO₂ a 35 °C. Trate como gás ideal e encontre a pressão P.

m = 370 gM = 44,01 g/molV = 30 LT = 35 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

2.Lei dos gases ideaisDifícil

Uma quantidade fixa de O₂ passa de 200 kPa, 20 L, 30 °C para 300 kPa e 250 °C. Encontre o novo volume V₂.

P₁ = 200 kPaV₁ = 20 LT₁ = 30 °CP₂ = 300 kPaT₂ = 250 °C

V₂ = L

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 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 100 °Cṁ_c = 2 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 10% do calor liberado pela corrente quente. Encontre a vazão de água ṁ_c necessária.

ṁ_h = 1,5 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 120 °Ct: 25 → 70 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Máquinas térmicas e refrigeradoresMédia

Uma máquina térmica opera entre um reservatório quente a 400 °C e um reservatório frio a 40 °C. Encontre o maior rendimento térmico possível η_max.

T_H = 400 °CT_L = 40 °C

η_max = %

6.Máquinas térmicas e refrigeradoresDifícil

Uma geladeira mantém o espaço frio a -20 °C em uma cozinha a 32 °C, retirando calor do espaço frio a 4,5 kW. Encontre a potência mínima de entrada Ẇ_min.

T_H = 32 °CT_L = -20 °CQ̇_L = 4,5 kW

Ẇ_min = kW

7.Ciclos de potência a gásMédia

Um ciclo Diesel ideal tem taxa de compressão r = 18 e razão de corte r_c = v₃/v₂ = 3. No início da compressão o ar está a 320 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 = 18r_c = 3T₁ = 320 Kk = 1,4

T₃ = K

8.Ciclos de potência a gásDifícil

Uma usina com turbina a gás opera em um ciclo Brayton com razão de pressões no compressor de 15. O ar entra no compressor a 295 K e na turbina a 1200 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 = 15T₁ = 295 KT₃ = 1200 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3Soluções

1.Lei dos gases ideais

Resposta: P = 718 kPa

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

Mols

n = m/M = 370/44,01 = 8,407 mol

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

Pressão

P = nRT/V = 8,407·8,314·308,1/0,03 = 718 kPa

Resposta

P = 718 kPa

2.Lei dos gases ideais

Resposta: V₂ = 23,01 L

Lei geral dos gases: para uma quantidade fixa de gás ideal, P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂.

Temperaturas absolutas

T₁ = 303,1 K, T₂ = 523,1 K

Lei geral dos gases

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 20·(200/300)·(523,1/303,1) = 23,01 L

Resposta

V₂ = 23,01 L

3.Balanço de energia

Resposta: t_out = 34,59 °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 = 1·2,44·(150 − 100) = 122 kW

Calor absorvido pela água

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 122/(2·4,18) = 34,59 °C

Resposta

t_out = 34,59 °C

4.Balanço de energia

Resposta: ṁ_c = 0,5254 kg/s

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

Calor liberado

Q_h = 1,5·2,44·(150 − 120) = 109,8 kW

Calor que chega à água

Q_c = (1 − 0,1)·109,8 = 98,82 kW

Vazão de água

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 98,82/(4,18·45) = 0,5254 kg/s

Resposta

ṁ_c = 0,5254 kg/s

5.Máquinas térmicas e refrigeradores

Resposta: η_max = 53,48 %

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 = 400 + 273,15 = 673,1 K

T_L = 40 + 273,15 = 313,1 K

Rendimento de Carnot

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 313,1/673,1 = 53,48 %

Resposta

η_max = 53,48 %

6.Máquinas térmicas e refrigeradores

Resposta: Ẇ_min = 0,9244 kW

Temperaturas absolutas

T_H = 32 + 273,15 = 305,1 K

T_L = -20 + 273,15 = 253,1 K

Melhor COP possível

COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) = 253,1/(305,1 − 253,1) = 4,868

Potência mínima

Uma máquina reversível, que tem o maior COP, precisa do menor trabalho.

Ẇ_min = Q̇_L/COP = 4,5/4,868 = 0,9244 kW

Resposta

Ẇ_min = 0,9244 kW

7.Ciclos de potência a gás

Resposta: T₃ = 3051 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 = 320·18^0,4 = 1017 K

Fornecimento de calor a pressão constante

T₃ = r_c·T₂ = 3·1017 = 3051 K

Resposta

T₃ = 3051 K

8.Ciclos de potência a gás

Resposta: w_net = 303,5 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 = 295·15^0,2857 = 639,5 K

T₄ = 1200/15^0,2857 = 553,5 K

Trabalho do compressor e da turbina

w_c = 1,005·(639,5 − 295) = 346,2 kJ/kg

w_t = 1,005·(1200 − 553,5) = 649,7 kJ/kg

Trabalho líquido

w_net = 649,7 − 346,2 = 303,5 kJ/kg

Resposta

w_net = 303,5 kJ/kg

Razão de trabalho reverso: w_c/w_t = 53,29%.

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