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 260 g de Ar a 95 °C. Trate como gás ideal e encontre a pressão P.

m = 260 gM = 39,95 g/molV = 30 LT = 95 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

2.Lei dos gases ideaisDifícil

Uma quantidade fixa de He passa de 100 kPa, 5 L, 25 °C para 500 kPa e 240 °C. Encontre o novo volume V₂.

P₁ = 100 kPaV₁ = 5 LT₁ = 25 °CP₂ = 500 kPaT₂ = 240 °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 = 2,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 80 °Cṁ_c = 2 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 30 °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 = 2 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 80 °Ct: 25 → 50 °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 700 °C e rejeita calor para o ambiente a 20 °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 = 700 °CT_L = 20 °Cη = 35%

η_II = %

6.Máquinas térmicas e refrigeradoresDifícil

Uma máquina térmica recebe 2000 kJ de calor de um reservatório a 800 °C, produz 880 kJ de trabalho e rejeita o restante para um reservatório a 20 °C, por ciclo. Encontre a entropia total gerada S_gen por ciclo.

T_H = 800 °CT_L = 20 °CQ_H = 2000 kJW = 880 kJ

S_gen = kJ/K

7.Ciclos de potência a gásMédia

Um ciclo Diesel ideal tem taxa de compressão r = 15 e razão de corte r_c = v₃/v₂ = 2,2. 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 = 2,2k = 1,4

η = %

8.Ciclos de potência a gásDifícil

Um ciclo Brayton ideal opera com razão de pressões no compressor de 20. 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 = 20k = 1,4

η = %

3Soluções

1.Lei dos gases ideais

Resposta: P = 664 kPa

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

Mols

n = m/M = 260/39,95 = 6,508 mol

T = 95 + 273,15 = 368,1 K

Pressão

P = nRT/V = 6,508·8,314·368,1/0,03 = 664 kPa

Resposta

P = 664 kPa

2.Lei dos gases ideais

Resposta: V₂ = 1,721 L

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

Temperaturas absolutas

T₁ = 298,1 K, T₂ = 513,1 K

Lei geral dos gases

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 5·(100/500)·(513,1/298,1) = 1,721 L

Resposta

V₂ = 1,721 L

3.Balanço de energia

Resposta: t_out = 116,1 °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 = 2,5·3,6·(160 − 80) = 720 kW

Calor absorvido pela água

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 30 + 720/(2·4,18) = 116,1 °C

Resposta

t_out = 116,1 °C

4.Balanço de energia

Resposta: ṁ_c = 3,256 kg/s

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

Calor liberado

Q_h = 2·2,1·(170 − 80) = 378 kW

Calor que chega à água

Q_c = (1 − 0,1)·378 = 340,2 kW

Vazão de água

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 340,2/(4,18·25) = 3,256 kg/s

Resposta

ṁ_c = 3,256 kg/s

5.Máquinas térmicas e refrigeradores

Resposta: η_II = 50,09 %

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 = 700 + 273,15 = 973,1 K

T_L = 20 + 273,15 = 293,1 K

Rendimento de Carnot

η_Carnot = 1 − 293,1/973,1 = 69,88 %

Eficiência de segunda lei

η_II = η/η_Carnot = 35/69,88 = 50,09 %

Resposta

η_II = 50,09 %

6.Máquinas térmicas e refrigeradores

Resposta: S_gen = 1,957 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 = 2000 − 880 = 1120 kJ

Temperaturas absolutas

T_H = 800 + 273,15 = 1073 K

T_L = 20 + 273,15 = 293,1 K

Variações de entropia dos reservatórios

ΔS_H = −2000/1073 = −1,864 kJ/K

ΔS_L = 1120/293,1 = 3,821 kJ/K

S_gen = 3,821 − 1,864 = 1,957 kJ/K

Resposta

S_gen = 1,957 kJ/K

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

7.Ciclos de potência a gás

Resposta: η = 59,39 %

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

(2,2^1,4 − 1)/(1,4·(2,2 − 1)) = 1,2

Rendimento térmico

η = 1 − 0,3385·1,2 = 59,39%

Resposta

η = 59,39%

8.Ciclos de potência a gás

Resposta: η = 57,51 %

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 − 1/20^0,2857 = 1 − 1/2,354 = 57,51%

Resposta

η = 57,51%

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