Faculdade Politécnica de Jundiaí – Anhanguera Educacional PRA

Faculdade Politécnica de Jundiaí – Anhanguera Educacional
PRA Termodiâmica – Setembro/Outubro de 2008
Tema 3: A Primeira Lei da Termodinâmica para Sistemas
Exercícios do livro: MORAN-SHAPIRO. Princípios de Termodinâmica para
Engenharia. 4ª edição. Editora LTC
Observação: Valores dados nos enunciados dos exercícios que não estejam no SI foram
convertidos para unidades desse sistema de unidades.
1) Problema 3.17, página 90
Uma mistura bifásica líquido-vapor de H2O está a uma temperatura de 300ºC e ocupa
um volume de 0,05 m3. As massas de líquido e vapor saturado são 0,75 kg e 2,26 kg,
respectivamente. Determine o volume específico da mistura.
2) Problema 3.24, página 91
Vapor d’água está contido em um reservatório rígido fechado. Inicialmente, a pressão e
a temperatura do vapor d’água são 15 bar e 240ºC, respectivamente. A temperatura é
reduzida como resultado de transferência de calor para a vizinhança. Determine a
pressão na qual a condensação se inicia, e a fração da massa total que se encontra
condensada quando a temperatura atinge 100ºC. Qual a percentagem do volume que é
ocupada pelo líquido saturado no estado final?
3) Problema 3.34, página 91
Vapor d’água inicialmente a 3,0 MPa e 300ºC está contido no interior de um conjunto
cilindro-pistão. A água é resfriada a volume constante até que sua temperatura atinja
200ºC. A água é então condensada isotermicamente até o estado de líquido saturado.
Considerando a água como sistema, avalie o trabalho.
4) Problema 3.49, página 92
Uma mistura bifásica líquido-vapor de H2O, inicialmente a 1,0 MPa com um título de
90%, está contida em um tanque rígido bem isolado. A massa de H2O é de 2 kg. Uma
resistência elétrica de aquecimento no interior do tanque transfere energia para a água a
uma taxa constante de 60 W por 1,95 h. Determine a temperatura final da água no
tanque.
5) Problema 3.52, página 92
Água líquida saturada contida no interior de um tanque rígido e fechado é resfriada até
um estado final onde a temperatura é 50ºC e as massas de vapor e líquido saturado são
0,03 e 1999,97 kg, respectivamente. Determine o calor transferido durante o processo.
6) Problema 3.61, página 92
Uma mistura bifásica líquido-vapor de H2O com um título inicial de 25% está contida
em um conjunto cilindro-pistão como mostrado na figura. A massa do pistão é de 40 kg
e possui diâmetro de 10 cm. A pressão atmosférica local é de 1 bar. As posições inicial
e final do pistão são mostradas na figura. À medida que a água é aquecida, a pressão no
interior do cilindro permanece constante até que o pistão atinge os esbarros.
Transferência de calor para a água continua até que a pressão atinja 3 bar. Atrito entre o
pistão e as paredes do cilindro é desprezível. Determine a quantidade total de calor
transferido.
7) Problema 3.62, página 92
Um sistema, que consiste em 0,907 kg de vapor d’água inicialmente a 149ºC e
ocupando um volume de 0,566 m3, é comprimido isotermicamente até um volume de
0,256 m3. O sistema é então aquecido a volume constante até uma pressão final de 8,27
bar. Durante a pressão isotérmica ocorre transferência de energia por trabalho de
magnitude 95,8 kJ para o sistema. Efeitos de energia cinética e potencial são
desprezíveis. Determine a quantidade de calor trocada para cada processo.
8) Problema 3.72, página 93
Um sistema consiste em um líquido, considerado incompressível com calor específico
constante c, que preenche um tanque rígido cuja área superficial é A. Transferência de
energia por trabalho de um agitador para o líquido ocorre a uma taxa constante.

Transferência de energia por calor ocorre a uma taxa dada por Q  h A T  T0  onde T
é a temperatura instantânea do líquido e T0 é a temperatura da vizinhança, e h é um
coeficiente global de transferência de calor. Para o instante inicial, t = 0, o tanque e o
seu conteúdo estão à mesma temperatura da vizinhança. Obtenha a equação diferencial
para a temperatura T em termos do tempo t e de parâmetros relevantes. Resolva a
equação diferencial de forma a obter T(t).
9) Problema 3.96, página 94
Um quilo de ar, inicialmente a 5 bar, 350 K e 3kg de dióxido de carbono (CO2),
inicialmente a 2 bar, 450 K, estão confinados em lados opostos de um reservatório
rígido e isolado, como ilustrado na figura. A divisória é livre para mover e permite
condução de um gás para o outro sem acúmulo de energia na própria divisória. O ar e o
dióxido de carbono se comportam como gases ideais. Determine a temperatura final de
equilíbrio e a pressão final, assumindo calores específicos constantes.
10) Problema 3.101, página 94
Dois quilogramas de um gás como peso molecular 28 estão contidos em um tanque
rígido fechado equipado com uma resistência elétrica. Por essa resistência passa uma
corrente constante de 10 ampères a uma voltagem de 12 V por 10 min. Medições
indicam que, quando o equilíbrio é alcançado, a temperatura do gás aumentou de
40,3ºC. Estima-se que a transferência de calor para a vizinhança ocorre a uma taxa
constante de 20 W. Considerando comportamento de gás ideal, determine o valor médio
do calor específico do gás no intervalo de temperaturas correspondente aos dados
medidos.
11) Problema 3.102, página 94
Dióxido de carbono (CO2) gasoso, inicialmente a 21ºC, 1,03 bar e volume de 28,3 L, é
comprimido em um conjunto cilindro-pistão. Durante o processo, a pressão e o volume
específico estão relacionados por P v1, 2  constante. A quantidade de energia transferida
para o gás como trabalho é 105 kJ por kg de CO2. Considerando comportamento de gás
ideal, determine a temperatura final e a quantidade de calor transferida.
12) Problema 3.107, página 94
Um sistema consiste em 2 kg de dióxido de carbono inicialmente no estado 1, onde P1=
1 bar, T1= 300 K. O sistema é submetido a um ciclo de potência que consiste nos
seguintes processos:
Processo 1-2: volume constante para P2, P2>P1
Processo 2-3: expansão com P v1, 28  constante
Processo 3-1: compressão isobárica
Utilizando o modelo de gás ideal e desprezando efeitos de energia cinética e potencial,
(a) esboce o ciclo em um diagrama P-v; (b) represente graficamente a relação entre a
eficiência térmica e a razão P2/P1 para o intervalo de variação de 1,05 a 4 deste último.