LISTA 5 – Segunda Lei da Termodinâmica (ver 28/08/2013)

1. A taxa de transferência de calor dos gases de combustão a gasolina é 35 kW. Sabendo que a potência no eixo do motor é 20 HP, determine a eficiência térmica e a taxa de transferência de calor rejeitada para o ambiente. [QL =20,1 ;η= 0,43]

2. Um refrigerador doméstico remove 1,5 kJ do espaço refrigerado utilizando 1 kJ de trabalho. Qual é energia rejeitada no ambiente da cozinha? Qual é coeficiente de eficácia deste refrigerador? [ QH =2,5 kJ ;β = 2,5]

3. Um fazendeiro deseja utilizar uma bomba de calor, acionada com um motor de 2 kW, para manter a temperatura do galinheiro igual a 30ºC. A taxa de transferência de calor do galinheiro para o ambiente, que está a uma temperatura ambiente Tamb, é igual a 10 kW. Qual é o coeficiente de eficácia mínimo da bomba de calor para que o sistema de aquecimento opere adequadamente.[β = 5]

4. Uma casa é resfriada por meio de uma bomba de calor que utiliza o ambiente externo como reservatório de alta temperatura. A casa transfere calor ao ambiente de acordo com: Qperda = K(TH – TL). Estime para diferentes temperaturas do meio externo, os percentuais de redução de consumo de energia elétrica se a temperatura na casa fosse reduzida de 24ºC para 20ºC. Admita que a transferência de calor do ambiente para a casa seja proporcional a diferença das temperaturas externas.

5. Um tanque com volume de 10 m3 contém inicialmente ar a 500 kPa e 600 K e funciona como fonte quente para um ciclo de Carnot que rejeita calor a 300 K. A temperatura alto ciclo de Carnot é sempre 25ºC inferior a do gás no tanque e isto é necessário para que ocorra transferência de calor. A máquina térmica opera até que a temperatura do ar no tanque atinja 400 K. Admitindo que os calores específicos do ar sejam constantes, determine qual é o trabalho realizado numa operação de resfriamento do ar do tanque. [W = -11,75 MW]

6. A potência elétrica gerada numa central térmica é 1MW. Calor é transferido para a água, na caldeira a 700 ºC, a temperatura no condensador é 40 ºC e a potência consumida na bomba é 0,02 MW. Calcule, nestas condições, a eficiência do ciclo.

7. Algumas plantas de potência operam com vapor na temperatura de 550ºC e o condensador na temperatura de 45ºC. Qual é a máxima eficiência térmica esperada para esse ciclo? [ η= 0,386]

8. Um motor de 75 HP com eficiência de 91% foi substituído por outro motor de maior eficiência (95.4 %). Se estes motores operam 4368 h/ano e com um fator de carga de 75%, e com um custo de eletricidade: $0.08/kWh, qual é o montante de dinheiro economizado por ano? [ R$644,72]

9. Uma máquina térmica de Carnot recebe 500 kJ de calor de uma fonte com temperatura T H e rejeita 200 kJ para um reservatório a 17ºC. Determine a eficiência térmica do ciclo e a temperatura TH. [ η= 0,6 ; TH = 452,22 ºC]

10. Um sistema de ar condicionado é utilizado para manter a temperatura da casa em 22ºC enquanto a temperatura externa está a 40ºC. Se a potência consumida pelo sistema é de 5 HP, qual é a máxima quantidade de calor que pode ser removida da casa? [ QL = 61,15 kW]

11. Um inventor afirma que desenvolveu um refrigerador que retira calor de um freezer a – 5ºC e transfere para o ambiente externo a 22ºC mantendo um coeficiente de desempenho de 8.2. Esta afirmação é correta? Por quê? [Sim]

12. Uma planta de potência de 800 MW com eficiência de 40% é resfriada com água de um rio. Determinar a quantidade de calor que é transferida para o rio. [ QL = 1200 MW]

13. Um carro com potência de 95 HP (70 kW) tem uma eficiência térmica de 28%. Determine qual é o consumo de combustível (kg/s) se o poder calorífico do combustível é de 19000 Btu/lbm (44194 kJ/kg). [ 0,0056 kg/s]

14. Considere um ciclo térmico motor que opera nas condições abaixo apresentadas, verifique se estas condições satisfazem a primeira e a segunda lei da termodinâmica:

a) QH = 6 kJ; QL = 4 kJ; W = 2kJ [ Satisfaz 1ªlei ; não viola 2ª lei]

b) QH = 6 kJ; QL = 0 kJ; W = 6kJ [ Satisfaz 1ªlei ; não viola 2ª lei]

c) QH = 6 kJ; QL = 2 kJ; W = 5kJ [Viola 1ªlei; não viola 2ª lei]

d) QH = 6 kJ; QL = 6 kJ; W = 0kJ [Satisfaz 1ªlei ; não viola 2ª lei]

15. Propõe-se construir uma central termoelétrica com potência de 1.000 MW e utilizando vapor d’água

como fluido de trabalho. Os condensadores dever ser resfriados com a água de um rio (ver figura

abaixo). A temperatura máximo do vapor será de 550ºC e a pressão nos condensadores será de 10

kPa. Como consultor de engenharia, você é solicitado a estimar o aumento da temperatura da água no

rio (entre montante e jusante da usina). Qual é a sua estimativa? [ ∆t = 1,9 ºC]