EQA5341 - Termodinâmica para Engenharia Química I Curso

EQA5341 - Termodinâmica para Engenharia Química I
Curso: Engenharia de Alimentos - Turma: 05215
Professor: Bruno A. M. Carciofi
3ª Lista de Exercícios
1. Uma maquina de Carnot recebe 250 kJ s-1 de calor de um reservatório-fonte de calor 525
o
C e rejeita calor para um reservatório-sumidouro de calor a 50oC. Quais são a potência
desenvolvida e o calor rejeitado?
2. As máquinas térmicas a seguir produzem uma potencia de 95.000 kW. Em cada caso,
determine as taxas nas quais o calor é absorvido de um reservatório quente e descarregado
para um reservatório frio.
(a) Uma máquina de Carnot operando entre reservatórios de calor a 750 K e 300 K.
(b) Uma máquina real operando entre os mesmos reservatórios de calor com uma eficiência
térmica η = 0,35.
3. Certa planta de potência opera com um reservatório-fonte de calor a 350 oC e um
reservatório sumidouro de calor a 30oC. Ela possui uma eficiência térmica igual a 55% da
eficiência térmica de uma máquina de Carnot operando entre as mesmas temperaturas.
4. Um vaso rígido, com 0,06 m3 de volume, contém um gás ideal Cv = (5/2)R, a 500 K e 1
bar.
(a) Se uma quantidade de calor igual a 15.000 J for transferida para o gás, determine a
variação de sua entalpia.
(b) Se o vaso possuir um agitador que gire acionado por um eixo de tal forma que seja
realizada uma quantidade der trabalho de 15.000 J sobre o gás, qual é a variação de
entropia do gás se o processo for adiabático? Qual é o ΔStotal? Qual é o fator de
irreversibilidade do processo?
5. Para um gás ideal com capacidades caloríficas constantes, mostre que
(a) Para uma variação de temperatura de T1 para T2, ΔS do gás é maior quando a variação
ocorre à pressão constante do que quando ela ocorre a volume constante.
(b) Para uma variação de pressão de P1 para P2, o sinal de ΔS em uma variação isotérmica é
oposto ao sinal em uma variação a volume constante.
6. Imagine que uma corrente de fluido, escoando em regime estacionário, sirva como uma
fonte de calor para uma serie infinita de máquinas de Carnot, cada uma absorvendo uma
quantidade infinitesimal de calor do fluido, causando uma diminuição em usa temperatura
de um diferencial infinitesimal e rejeitando uma quantidade diferencial de calor para um
reservatório a uma temperatura To. Como resultado da operação das máquinas de Carnot, a
temperatura do fluido diminui de T1 para T2. A Eq. (5.8) é utilizada aqui na forma
diferencial, na qual η é definida como
onde Q é a transferência de calor em relação ao fluido em escoamento. Mostre que o
trabalho total das máquinas de Carnot é dado por
onde ΔS e Q se referem ao fluido.
Em um caso particular, o fluido é um gás ideal, Cp = (7/2)R, para o qual T1 =
600 K e T2 = 400 K. Se Tσ = 300 K, qual é o valor de W em J mol-1? Quanto de calor é
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Professor: Bruno A. M. Carciofi
descarregado para o reservatório de calor a Tσ? Qual é a variação da entropia do
reservatório de calor? Qual é o ΔStotal?
7. Um gás ideal, Cp = (7/2)R e Cv = (5/2)R, passa por um ciclo constituído pelas seguintes
etapas mecanicamente reversíveis:
 Uma compressão adiabática de P1, V1, T1 para P2, V2, T2.
 Uma expansão isobárica de P2, V2, T2 para P3 = P2, V3, T3.
 Uma expansão adiabática de P3, V3, T3 para P4, V4, T4.
 Um processo a volume constante de P4, V4, T4 para P1, V1 = V4, T1.
Esboce este ciclo em um diagrama PV e determine a sua eficiência térmica se T1 =
200oC, T2 = 500oC, T3 = 1.700oC e T4 = 700oC.
8. Um ciclo reversível, executado por 1 mol de um gás ideal com Cp = (5/2)R e Cv = (3/2)R, é
constituído por:
 Partindo de T1 = 700 K e P1 = 1,5 bar, o gás é resfriado a pressão constante para T2
= 350 K.
 De 350 K e 1,5 bar, o gás é comprimido isotermicamente até uma pressão P2.
 O gás retorna ao seu estado inicial ao longo de uma trajetória sobre a qual o produto
PT é constante.
Qual é a eficiência térmica do ciclo?
9. Um mol de um gás ideal, Cp = (7/2)R e Cv = (5/2)R, é comprimido adiabaticamente em um
dispositivo pistão/cilindro de 2 bar e 55oC até 7 bar. O processo é irreversível e requer 35%
a mais de trabalho do que uma compressão adiabática reversível do mesmo estado inicial
até a mesma pressão final. Qual é a variação de entropia do gás?
10. Um mol de um gás ideal é comprimido isotermicamente a 130 oC, porém
irreversivelmente, de 2,5 bar a 6,5 bar em um dispositivo pistão/cilindro. O trabalho
necessário é 30% maior do que o trabalho de uma compressão isotérmica reversível. O
calor transferido do gás durante a compressão escapa para um reservatório de calor a 25 oC.
Calcule a variação das entropias do gás e do reservatório de calor, e o ΔStotal.
11. Se uma quantidade de calor de 800 kJ for adicionada a 10 mols de etileno, inicialmente a
260 oC em um processo com escoamento e a uma pressão aproximadamente igual à
atmosférica, qual será a sua variação de entropia?
12. Um equipamento sem partes móveis fornece, em regime estacionário, uma corrente de ar
refrigerado a -25 oC e 1 bar. A alimentação do equipamento é feita com ar comprimido a 25
o
C e 5 bar. Além da corrente de ar refrigerado, uma segunda corrente de ar aquecido sai do
equipamento a 75 oC e 1 bar. Admitindo operação adiabática, qual é a razão entre o ar
refrigerado e o ar aquecido produzido pelo equipamento? Admita que o ar seja um gás
ideal com Cp = (7/2)R.
13. Um inventor projetou um complicado processo sem escoamento, no qual 1 mol de ar é
fluido de trabalho. Afirma-se que os efeitos líquidos do processo são:
 Uma mudança de estado do ar de 250 oC e 3 bar para 80oC e 1 bar.
 A produção de 1.800 J de trabalho.
 A transferência de uma quantidade de calor, em aberto, para o reservatório de calor a
30oC.
Determine se a performance do processo indicada é compatível com a segunda lei.
Suponha que o ar seja um gás ideal com Cp = (7/2)R.