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·cp·ΔT
Calor latente
Q = ṁ·hfg
Mistura
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
Água
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Máquinas térmicas e refrigeradores

Rendimento
η = W/QH = 1 − QC/QH
Rendimento de Carnot
ηC = 1 − TC/TH (kelvin)
COP do refrigerador
COPR = QC/W
COP da bomba de calor
COPHP = QH/W = COPR + 1
Balanço de energia
QH = W + QC

Ciclos de potência a gás

Isentrópico, razão de volumes
T2/T1 = rk−1
Isentrópico, razão de pressões
T2/T1 = rp(k−1)/k
Rendimento do ciclo Otto
η = 1 − 1/rk−1
Rendimento do ciclo Diesel
η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k(rc − 1))
Rendimento do ciclo Brayton
η = 1 − 1/rp(k−1)/k
Calor fornecido
Otto: cv(T3 − T2) Diesel, Brayton: cp(T3 − T2)
Trabalho líquido do ciclo Brayton
w = cp[(T3 − T4) − (T2 − T1)]
Rendimentos isentrópicos
wc = wc,s/ηc, wt = ηt·wt,s
Ar frio
k = 1,4, cp = 1,005, cv = 0,718 kJ/(kg·K)

2Exercícios

1.Lei dos gases ideaisMédia
120 g de O₂P = 400 kPaT = 45 °CV = ?

Que volume V ocupam 120 g de O₂ a 400 kPa e 45 °C? Trate como gás ideal.

m = 120 gM = 32 g/molP = 400 kPaT = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
2.Lei dos gases ideaisDifícil
CO₂, M = 44,01 g/molP = 650 kPaT = 40 °Cρ = ?

Encontre a massa específica ρ de CO₂ a 650 kPa e 40 °C, tratando como gás ideal.

M = 44,01 g/molP = 650 kPaT = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioóleo leve · 120 °C90 °Cágua · 20 °Ct = ? °C

óleo leve quente resfria água em um trocador de calor em contracorrente sem perda de calor. Encontre a temperatura de saída da água tout.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 90 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado frioetanol · 180 °C120 °Cágua · 30 °C80 °C · ṁ = ?15% perdido

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

ṁh = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 120 °Ct: 30 → 80 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 15 %
ṁc = kg/s
5.Máquinas térmicas e refrigeradoresMédia
TH​ = 400 °CTL​ = 15 °CEQH​QL​W

Uma máquina térmica opera entre um reservatório quente a 400 °C e um reservatório frio a 15 °C. Encontre o maior rendimento térmico possível ηmax.

TH = 400 °CTL = 15 °C
ηmax = %
6.Máquinas térmicas e refrigeradoresDifícil
TH​ = 20 °CTL​ = -5 °CHPQ̇H​ = 18,5 kWQ̇L​Ẇ = ?

Uma bomba de calor entrega 18,5 kW de calor a um sistema de aquecimento a 20 °C, retirando calor de uma fonte a -5 °C. Seu COP real é 50% do COP de Carnot entre essas temperaturas. Encontre a potência elétrica Ẇ que ela consome.

TH = 20 °CTL = -5 °CηII = 50%Q̇H = 18,5 kW
Ẇ = kW
7.Ciclos de potência a gásMédia
vP1234qin​qout​

Um ciclo Diesel ideal tem taxa de compressão r = 16 e razão de corte rc = 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, cp = 1,005 kJ/(kg·K) e cv = 0,718 kJ/(kg·K). Encontre o calor fornecido qin por quilograma de ar, em kJ/kg.

r = 16rc = 2,2T1 = 305 Kk = 1,4cp = 1,005 kJ/(kg·K)
qin = kJ/kg
8.Ciclos de potência a gásDifícil
vP1234qin​qout​

Um ciclo Brayton ideal opera com razão de pressões no compressor de 8. Use as hipóteses de ar-padrão frio: o ar é um gás ideal com calores específicos constantes, k = 1,4, cp = 1,005 kJ/(kg·K) e cv = 0,718 kJ/(kg·K). Encontre seu rendimento térmico η em porcentagem.

rp = 8k = 1,4
η = %

3Soluções

1.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 24,8 L

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

Mols

n = 120/32 = 3,75 mol
T = 45 + 273,15 = 318,1 K

Volume

V = nRT/P = 3,75·8,314·318,1/400 = 24,8 L

Resposta

V = 24,8 L
2.Lei dos gases ideais

Resposta: ρ = 10,99 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 = 40 + 273,15 = 313,1 K

Massa específica

ρ = 650·44,01/(8,314·313,1) = 10,99 kg/m³

Resposta

ρ = 10,99 kg/m³
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 35,07 °C

Balanço de energia do trocador: sem perdas, ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

Calor liberado pela corrente quente

Q = 1,5·2,1·(120 − 90) = 94,5 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 94,5/(1,5·4,18) = 35,07 °C

Resposta

tout = 35,07 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 1,786 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 3·2,44·(180 − 120) = 439,2 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,15)·439,2 = 373,3 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 373,3/(4,18·50) = 1,786 kg/s

Resposta

ṁc = 1,786 kg/s
5.Máquinas térmicas e refrigeradores

Resposta: ηmax = 57,19 %

Limites da segunda lei: nenhum ciclo operando entre reservatórios às temperaturas absolutas TH e TL supera o ciclo reversível (de Carnot): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) e COPHP,max = TH/(TH − TL). A energia sempre se conserva: QH = W + QL.

Temperaturas absolutas

TH = 400 + 273,15 = 673,1 K
TL = 15 + 273,15 = 288,1 K

Rendimento de Carnot

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 288,1/673,1 = 57,19 %

Resposta

ηmax = 57,19 %
6.Máquinas térmicas e refrigeradores

Resposta: Ẇ = 3,155 kW

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.

Temperaturas absolutas

TH = 20 + 273,15 = 293,1 K
TL = -5 + 273,15 = 268,1 K

COP de Carnot e COP real

COPmax = 293,1/(293,1 − 268,1) = 11,73
COP = 0,5·11,73 = 5,863

Potência consumida

Ẇ = Q̇H/COP = 18,5/5,863 = 3,155 kW

Resposta

Ẇ = 3,155 kW
7.Ciclos de potência a gás

Resposta: qin = 1115 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 rc = v₃/v₂: T₂ = T₁·rk−1, T₃ = rc·T₂, qin = cp·(T₃ − T₂) e η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k·(rc − 1)).

Temperaturas

T2 = 305·160,4 = 924,6 K
T3 = 2,2·924,6 = 2034 K

Calor fornecido a pressão constante

qin = 1,005·(2034 − 924,6) = 1115 kJ/kg

Resposta

qin = 1115 kJ/kg
8.Ciclos de potência a gás

Resposta: η = 44,8 %

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 rp = P₂/P₁: T₂ = T₁·rp(k−1)/k, T₄ = T₃/rp(k−1)/k e η = 1 − 1/rp(k−1)/k. Trabalho líquido w = cp·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]. Com rendimentos isentrópicos, o compressor precisa de ws/ηc e a turbina fornece ηt·ws.

Rendimento térmico

η = 1 − 1/80,2857 = 1 − 1/1,811 = 44,8%

Resposta

η = 44,8%

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