EQA5341 - Termodinâmica para Engenharia Química I Curso

EQA5341 - Termodinâmica para Engenharia Química I
Curso: Engenharia de Alimentos - Turma: 05215
Professor: Bruno A. M. Carciofi
Lista de Exercícios
1.
Um recipiente não condutor que contém 25 kg de água a 20oC possui um agitador
acionado pela gravidade, que age sobre um peso de massa igual a 35 kg. O peso desce
vagarosamente uma distância de 5 m acionando o agitador. Admitindo que todo o
trabalho realizado sobre o peso é transferido para a água e que a aceleração da
gravidade local é de 9,8 m s-2, determine:
(a) A quantidade de trabalho realizado sobre a água.
(b) A variação na energia interna da água.
(c) A temperatura final da água, que possui Cp = 4,18 kJ kg-1oC-1.
(d) A quantidade de calor que deve ser retirada da água para torná-la à sua temperatura
inicial.
(e) A variação total da energia do universo causada (1) pelo processo de descida do
peso, (2) pelo processo de resfriamento da água levando-a até sua temperatura
inicial, e (3) pelos dois processos em conjunto.
2.
Refaça o Problema 2.1 considerando um recipiente isolado termicamente que muda a
sua temperatura juntamente com a água e possui uma capacidade calorífica equivalente
a 5 kg de água. Resolva o problema de duas maneiras:
(a) Tome a água e o recipiente como o sistema.
(b) Tome somente a água como o sistema.
3.
Água líquida a 180ºC e 1.002,7 kPa possui uma energia interna (em uma escala
arbitrária) de 762,0 kJ kg-1 e um volume específico de 1,128 cm3 g-1.
(a) Qual é a sua entalpia?
(b) A água é levada ao estado vapor a 300oC e 1.500 kPa onde a sua energia interna é
de 2.784,4kJ kg-1 e o seu volume específico é igual a 169,7 cm3g-1. Calcule ΔU e
ΔH para este processo.
4.
Se um tanque contendo 20 kg de água a 20oC é equipado com um agitador que realiza
trabalho na água a uma taxa de 0,25 kW, quanto tempo demorará para a temperatura da
água atingir 30°C, se não houver perda de calor da água para as vizinhanças? Para a
água Cp = 4,18 kJ kg-1 oC-1.
5.
Com relação a uma massa de 1kg,
(a) Que modificação em sua altura ela deve sofrer se sua entalpia potencial variar em
1kJ?
(b) Partindo do repouso, a que velocidade ela deve ser acelerada para que a sua energia
cinética seja 1 kJ?
(c) Quais conclusões são indicadas por esses resultados?
6. Uma quantidade de 7,5 kJ de calor é adicionada a um sistema fechado, enquanto a sua
energia interna diminui de 12 kJ. Quanta energia é transferida na forma de trabalho?
Para um processo, com trabalho nulo, causando a mesma mudança de estado, que
quantidade de calor é transferida?
7.
Uma peça de aço com 2kg encontra-se a uma temperatura inicial de 500oC; 40 kg de
água, inicialmente a 25oC, estão no interior de um tanque de aço com 5 kg,
perfeitamente isolado. A peça é imersa na água, e permite-se que o sistema atinja o
equilíbrio. Qual é a sua temperatura final? Ignore qualquer efeito de expansão ou
contração e admita calores específicos constantes de 4,18 kJ kg-1 K-1 para a água e 0,50
kJ kg-1 K-1 para o aço.
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Professor: Bruno A. M. Carciofi
8. Água líquida a 80 (oF) [26,67oC] escoa em um tubo horizontal, no qual não há
transferência de calor e de trabalho com as vizinhanças. Sua velocidade é de 40 (ft) (s -1)
[12,19 m s-1] em uma seção de tubo com diâmetro interno de 1 (in) [2,54 cm]. A água
passa desta seção para outra seção onde ocorre um aumento brusco do diâmetro. Qual é
a variação da temperatura da água se o diâmetro da segunda seção for de 1,5 (in) [3,81
cm]? Se ele for de 3 (in) [7,62 cm]? Qual é a variação máxima da temperatura para um
aumento brusco do diâmetro?
9. Água escoa através de uma serpentina horizontal aquecida pelo lado externo por gases
de exaustão a alta temperatura. Ao atravessar a serpentina, a água muda de estado,
passando de líquido a 200 kPa e 80oC para vapor a 100 kPa e 125oC. Sua velocidade na
entrada da serpentina é de 30 m s-1 e na saída é de 200 m s-1. Determine o calor
transferido através da parede da serpentina por unidade de massa de água. As entalpias
das correntes de entrada e saída são: Entrada: 334,9 kJ kg-1; Saída: 2.726,5 kJ kg-1.
10. Vapor d’água escoa em estado estacionário através de um bocal convergente, isolado
termicamente, com 25 cm de comprimento e 5 m de diâmetro na entrada. Na entrada do
bocal (estado1), a temperatura e a pressão são 325oC e 700 kPa, respectivamente e a
velocidade é de 30 m s-1. Na saída do bocal (estado 2), a temperatura e a pressão do
vapor d’água são 240oC e 350 kPa, respectivamente. Os valores das propriedades são:
H1 = 3.112,5 kJ kg-1, V1 = 388,61 cm3 g-1; H2 = 2.945,7 kJ kg-1, V2 = 667,75 cm3 g-1.
Qual é a velocidade do vapor na saída do bocal e qual é o diâmetro nesta saída?
11. Um sistema contendo clorofórmio, 1,4-dioxanoe etanol existe como um sistema
bifásico, vapor/líquido, a 50oC e 55 kPa. Descobriu-se que, após a adição de etanol
puro, o sistema pode ser retornado ao equilíbrio bifásico nas T e P iniciais. Em relação a
que o sistema mudou, e em relação a que ele não mudou?
12. Para o sistema descrito no Problema 2.13:
(a) Quantas variáveis da regra das fases, além de T e P, devem ser escolhidas de modo
a fixar a composição das duas fases?
(b) Se a temperatura e a pressão permanecerem as mesmas, pode a composição global
do sistema ser modificada (pela adição ou remoção de material) sem afetar a
composição das fases liquida e vapor?
13. A seguir, considere Cv = 20,8 e Cp = 29,1 J mol-1 para o nitrogênio gasoso:
(a) Três moles de nitrogênio a 30oC, contidos em um vaso rígido, são aquecidos até
250oC. Que quantidade de calor é necessária se o vaso possuir capacidade calorífica
desprezível? Se o vaso possuir massa igual a 100 kg com calor específico de 0,5 kJ
kg-1 oC-1, que quantidade de calor será necessária?
(b) Quatro moles de nitrogênio a 200oC estão contidos em um dispositivo
pistão/cilindro. Que quantidade de calor deve ser extraída deste sistema, que é
mantido a pressão constante, para resfriá-lo até 40oC, se a capacidade calorífica do
pistão e do cilindro for desprezível?
14. Um quilograma de ar é aquecido reversivelmente, a pressão constante, de um estado
inicial de 300K e 1 bar até que seu volume triplique. Calcule W, Q, ΔU e ΔH para o
processo. Admita que o ar obedeça à relação PV/T = 83,14 bar cm3 mol-1 K-1 e que Cp =
29 J mol-1 K-1.
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15. As condições de um gás em um processo com escoamento em estado estacionário
mudam de 20 oC e 1.000 kPa para 60 oC e 100 kPa. Idealize um processo reversível sem
escoamento (qualquer número de etapas) para cumprir esta mudança de estado e calcule
ΔU e ΔH para o processo com base em 1 mol de gás. Admita que para o gás PV/T seja
constante, Cv = (5/2)R e Cp = (7/2)R.
16. Mostre que W e Q são dados por:
Em um processo arbitrário, sem escoamento e mecanicamente reversível.