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 5 L contém 450 g de N₂ a 45 °C. Trate como gás ideal e encontre a pressão P.

m = 450 gM = 28,01 g/molV = 5 LT = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

2.Lei dos gases ideaisDifícil

Encontre a massa específica ρ de N₂ a 650 kPa e 130 °C, tratando como gás ideal.

M = 28,01 g/molP = 650 kPaT = 130 °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 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 140 → 70 °Cṁ_c = 1,5 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 10% do calor liberado pela corrente quente. Encontre a vazão de água ṁ_c necessária.

ṁ_h = 3 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 70 °Ct: 20 → 90 °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 550 °C e rejeita calor para o ambiente a 40 °C. Sua eficiência térmica real é 43%. Encontre sua eficiência de segunda lei η_II, a razão entre a eficiência real e a eficiência de Carnot.

T_H = 550 °CT_L = 40 °Cη = 43%

η_II = %

6.Máquinas térmicas e refrigeradoresDifícil

Uma máquina térmica recebe 3700 kJ de calor de um reservatório a 850 °C, produz 1887 kJ de trabalho e rejeita o restante para um reservatório a 35 °C, por ciclo. Encontre a entropia total gerada S_gen por ciclo.

T_H = 850 °CT_L = 35 °CQ_H = 3700 kJW = 1887 kJ

S_gen = kJ/K

7.Ciclos de potência a gásMédia

Um ciclo Diesel ideal tem taxa de compressão r = 20 e razão de corte r_c = v₃/v₂ = 2,5. 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 = 20r_c = 2,5k = 1,4

η = %

8.Ciclos de potência a gásDifícil

Uma usina com turbina a gás opera em um ciclo Brayton com razão de pressões no compressor de 16. O ar entra no compressor a 300 K e na turbina a 1400 K. O compressor tem rendimento isentrópico de 88% e a turbina de 88%. 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 = 16T₁ = 300 KT₃ = 1400 Kη_c = 88%η_t = 88%k = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3Soluções

1.Lei dos gases ideais

Resposta: P = 8499 kPa

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

Mols

n = m/M = 450/28,01 = 16,07 mol

T = 45 + 273,15 = 318,1 K

Pressão

P = nRT/V = 16,07·8,314·318,1/0,005 = 8499 kPa

Resposta

P = 8499 kPa

2.Lei dos gases ideais

Resposta: ρ = 5,432 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 = 130 + 273,15 = 403,1 K

Massa específica

ρ = 650·28,01/(8,314·403,1) = 5,432 kg/m³

Resposta

ρ = 5,432 kg/m³

3.Balanço de energia

Resposta: t_out = 47,24 °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·(140 − 70) = 170,8 kW

Calor absorvido pela água

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 170,8/(1,5·4,18) = 47,24 °C

Resposta

t_out = 47,24 °C

4.Balanço de energia

Resposta: ṁ_c = 1,55 kg/s

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

Calor liberado

Q_h = 3·2,1·(150 − 70) = 504 kW

Calor que chega à água

Q_c = (1 − 0,1)·504 = 453,6 kW

Vazão de água

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 453,6/(4,18·70) = 1,55 kg/s

Resposta

ṁ_c = 1,55 kg/s

5.Máquinas térmicas e refrigeradores

Resposta: η_II = 69,4 %

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 = 40 + 273,15 = 313,1 K

Rendimento de Carnot

η_Carnot = 1 − 313,1/823,1 = 61,96 %

Eficiência de segunda lei

η_II = η/η_Carnot = 43/61,96 = 69,4 %

Resposta

η_II = 69,4 %

6.Máquinas térmicas e refrigeradores

Resposta: S_gen = 2,589 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 = 3700 − 1887 = 1813 kJ

Temperaturas absolutas

T_H = 850 + 273,15 = 1123 K

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

Variações de entropia dos reservatórios

ΔS_H = −3700/1123 = −3,294 kJ/K

ΔS_L = 1813/308,1 = 5,883 kJ/K

S_gen = 5,883 − 3,294 = 2,589 kJ/K

Resposta

S_gen = 2,589 kJ/K

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

7.Ciclos de potência a gás

Resposta: η = 62,55 %

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)).

Termo de corte

(2,5^1,4 − 1)/(1,4·(2,5 − 1)) = 1,241

Rendimento térmico

η = 1 − 0,3017·1,241 = 62,55%

Resposta

η = 62,55%

8.Ciclos de potência a gás

Resposta: w_net = 263,5 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

T_2s = 300·16^0,2857 = 662,5 K

T_4s = 1400/16^0,2857 = 634 K

Trabalho do compressor e da turbina

w_c = 1,005·(662,5 − 300)/0,88 = 413,9 kJ/kg

w_t = 0,88·1,005·(1400 − 634) = 677,4 kJ/kg

Trabalho líquido

w_net = 677,4 − 413,9 = 263,5 kJ/kg

Resposta

w_net = 263,5 kJ/kg

Razão de trabalho reverso: w_c/w_t = 61,1%.

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