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 50 L contém 260 g de He a 75 °C. Trate como gás ideal e encontre a pressão P.

m = 260 gM = 4,003 g/molV = 50 LT = 75 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

2.Lei dos gases ideaisDifícil

Uma quantidade fixa de He passa de 350 kPa, 10 L, 25 °C para 350 kPa e 60 °C. Encontre o novo volume V₂.

P₁ = 350 kPaV₁ = 10 LT₁ = 25 °CP₂ = 350 kPaT₂ = 60 °C

V₂ = L

3.Balanço de energiaMédia

mistura de glicol 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 = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 70 °Cṁ_c = 3 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 5% 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: 150 → 90 °Ct: 25 → 65 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Máquinas térmicas e refrigeradoresMédia

Uma máquina térmica opera entre um reservatório quente a 350 °C e um reservatório frio a 30 °C. Encontre o maior rendimento térmico possível η_max.

T_H = 350 °CT_L = 30 °C

η_max = %

6.Máquinas térmicas e refrigeradoresDifícil

Uma geladeira mantém o espaço frio a -18 °C em uma cozinha a 30 °C, retirando calor do espaço frio a 2 kW. Encontre a potência mínima de entrada Ẇ_min.

T_H = 30 °CT_L = -18 °CQ̇_L = 2 kW

Ẇ_min = kW

7.Ciclos de potência a gásMédia

Um ciclo Diesel ideal tem taxa de compressão r = 15 e razão de corte r_c = v₃/v₂ = 2. 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 = 15r_c = 2k = 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 15. O ar entra no compressor a 290 K e na turbina a 1400 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 = 290 KT₃ = 1400 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3Soluções

1.Lei dos gases ideais

Resposta: P = 3760 kPa

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

Mols

n = m/M = 260/4,003 = 64,95 mol

T = 75 + 273,15 = 348,1 K

Pressão

P = nRT/V = 64,95·8,314·348,1/0,05 = 3760 kPa

Resposta

P = 3760 kPa

2.Lei dos gases ideais

Resposta: V₂ = 11,17 L

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

Temperaturas absolutas

T₁ = 298,1 K, T₂ = 333,1 K

Lei geral dos gases

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 10·(350/350)·(333,1/298,1) = 11,17 L

Resposta

V₂ = 11,17 L

3.Balanço de energia

Resposta: t_out = 55,84 °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 = 1,5·3,6·(130 − 70) = 324 kW

Calor absorvido pela água

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 30 + 324/(3·4,18) = 55,84 °C

Resposta

t_out = 55,84 °C

4.Balanço de energia

Resposta: ṁ_c = 3,068 kg/s

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

Calor liberado

Q_h = 2,5·3,6·(150 − 90) = 540 kW

Calor que chega à água

Q_c = (1 − 0,05)·540 = 513 kW

Vazão de água

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 513/(4,18·40) = 3,068 kg/s

Resposta

ṁ_c = 3,068 kg/s

5.Máquinas térmicas e refrigeradores

Resposta: η_max = 51,35 %

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 = 350 + 273,15 = 623,1 K

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

Rendimento de Carnot

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 303,1/623,1 = 51,35 %

Resposta

η_max = 51,35 %

6.Máquinas térmicas e refrigeradores

Resposta: Ẇ_min = 0,3762 kW

Temperaturas absolutas

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

T_L = -18 + 273,15 = 255,1 K

Melhor COP possível

COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) = 255,1/(303,1 − 255,1) = 5,316

Potência mínima

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

Ẇ_min = Q̇_L/COP = 2/5,316 = 0,3762 kW

Resposta

Ẇ_min = 0,3762 kW

7.Ciclos de potência a gás

Resposta: η = 60,37 %

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

(2^1,4 − 1)/(1,4·(2 − 1)) = 1,171

Rendimento térmico

η = 1 − 0,3385·1,171 = 60,37%

Resposta

η = 60,37%

8.Ciclos de potência a gás

Resposta: w_net = 417,6 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 = 290·15^0,2857 = 628,7 K

T₄ = 1400/15^0,2857 = 645,8 K

Trabalho do compressor e da turbina

w_c = 1,005·(628,7 − 290) = 340,4 kJ/kg

w_t = 1,005·(1400 − 645,8) = 758 kJ/kg

Trabalho líquido

w_net = 758 − 340,4 = 417,6 kJ/kg

Resposta

w_net = 417,6 kJ/kg

Razão de trabalho reverso: w_c/w_t = 44,91%.

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