Nome: Curso: RA: Instituto de Ciências Exatas e Tecnológicas Campus Indianópolis SUB Termodinâmica Básica Turma: Data: Instruções Leia as questões antes de respondê-las. A interpretação da questão faz parte da avaliação. É permitido o uso de lápis, borracha, caneta. Não é permitido o uso de calculadora ou material adicional, bem como o empréstimo de material do colega. Todo o material restante deve ser colocado sobre o tablado na frente da sala. Qualquer material solto sob as carteiras será considerado irregular e a prova retirada. As respostas dos exercícios devem ser com tinta azul ou preta (prova com resposta a lápis será corrigida normalmente, mas não dará direito à arguição quanto à correção). Desligue o celular e observe o tempo disponível para resolução. Tempo de prova: 180 minutos (tempo mínimo de permanência na sala de 60 minutos). As questões de múltipla escolha serão corrigidas pelo gabarito abaixo. Rasuras neste gabarito invalidará a questão. GABARITO - QUESTÕES DE MULTIPLA ESCOLHA A B C D E 1 X 2 X 3 X 4 X 5 X 6 X 7 X
1) (0,5 ponto) Para que os ciclos termodinâmicos tenham seu funcionamento correto é necessário que o calor seja transferido entre dois reservatórios térmicos com diferentes temperaturas, pois somente através desse gradiente é que teremos deslocamento de energia térmica. De acordo com as leis da física esse deslocamento segue o decréscimo do gradiente, isto é, a energia térmica sempre será transferida do reservatório de maior temperatura para o de menor, nunca ao contrário. Dentre os ciclos termodinâmicos podemos destacar os de refrigeração que são utilizados em equipamentos como refrigeradores, condicionadores de ar e bombas de calor. Esses ciclos são capazes de promover a troca térmica de calor no sentido contrário como demostrado na figura abaixo. Com base nos ciclos de refrigeração analise as seguintes afirmações: a Os ciclos termodinâmicos de refrigeração são inviáveis na prática pois violam as leis da física. b Os ciclos termodinâmicos de refrigeração só são capazes de promover a troca térmica entre o reservatório frio e o reservatório quente devido à adição de energia mecânica. c De acordo com a Lei de Conservação da Energia, da Primeira Lei da Termodinâmica e baseado na figura apresentada, a quantidade de energia mecânica adicionada em um ciclo é igual a quantidade de energia rejeitada pelo ciclo menos a quantidade de energia térmica adicionada nele. d Diferentemente de um refrigerador as bombas de calor são ciclos termodinâmicos de refrigeração, cujo coeficiente de performance está relacionado com a quantidade de calor rejeitada no reservatório quente. Das afirmações acima podemos dizer que estão corretas: a) Somente a afirmação b e d; b) Somente a afirmação c; c) As afirmações b, c e d; d) As afirmações b e c; e) Todas as afirmações.
2) (0,5 ponto) No primeiro bimestre estudamos a Primeira Lei da Termodinâmica e vimos o balanço de energia como mostrado abaixo: Porém, esse balanço de energia não é capaz de nos mostrar o sentido que os processos ocorrem. Para isso necessitamos da Segunda Lei da Termodinâmica, mostrada abaixo: Nenhum processo ocorre sem que atenda a 1 e 2 Lei da Termodinâmica. As máquinas térmicas são dispositivos cíclicos onde o fluido de trabalho volta ao seu estado inicial ao fim de cada ciclo. Em uma parte do ciclo o trabalho pelo fluido enquanto que em uma determinada parte o trabalho é realizado sobre o fluido. Com isso, é possível determinar o trabalho líquido realizado por essa máquina térmica. Já a eficiência depende de como são executados os processos individuais e estes podem ser maximizados usando processos reversíveis, como apresentados a seguir: Ciclos de Potência: onde Ciclos de Refrigeração: Refrigerador onde Bomba de Calor onde Essas relações de eficiência e coeficientes de performance máximos só é válido devido ao corolário de Carnot: Na prática os ciclos reversíveis não existem, pois irreversibilidades associadas a cada processo não podem ser eliminadas. O estudo dos ciclos reversíveis é importante para que possamos identificar o ponto de máximo desempenho e consequentemente buscamos melhorias aos processos reais a fim de nos aproximar ao máximo desses valores. O ciclo reversível mais estudado é o Ciclo de Carnot, proposto em 1824 pelo engenheiro francês Sadi Carnot, chamada máquina térmica de Carnot, que é um ciclo teórico capaz de mostrar a eficiência máxima que um ciclo termodinâmico pode atingir. O gráfico a seguir apresenta um ciclo de potência de Carnot.
De acordo com esse gráfico podemos dizer que: I - Este ciclo de Carnot é comporto por um conjunto de processos 1-2-3-4 que representam respectivamente uma expansão isotérmica reversível, uma expansão adiabática reversível, uma compressão isotérmica reversível e uma compressão adiabática reversível. II - Os ciclos teóricos de Carnot representam os ciclos com máxima eficiência. III A região no gráfico onde ocorre o processo de 4 para 1 é onde encontra-se a caldeira, havendo uma grande quantidade de energia térmica adicionada, e por isso a temperatura de 1 é tão superior a temperatura de 4. IV A região no gráfico onde ocorre o processo de 2 para 3 é onde encontra-se a turbina, onde está ocorrendo a expansão adiabática reversível e consequentemente a liberação de potência. Das afirmações abaixo estão corretas: a) I, II, III b) I, III, IV c) II, IV d) I, IV e) I, II, IV 3) (0,5 ponto) Um grupo de estudos buscou nas tabelas de um livro de termodinâmica o valor da energia interna de uma determinada substância que se encontra no estado de vapor superaquecido. O grupo obteve a informação de que alguns livros não fornecem os valores da energia interna específica u na região do vapor superaquecido, uma vez que essa propriedade pode ser rapidamente calculada por meio de uma expressão que utiliza outras propriedades fornecidas na tabela. O grupo verificou que esse era o caso. Considerando h como a entalpia, p a pressão e v o volume específico, o grupo aplicou, para obter u, a expressão: a) u = v hp b) u = p + hv c) u = p hv d) u = h pv e) u = h + pv
4) (0,5 ponto) Um conjunto cilindro-êmbolo contém amônia na forma de líquido saturado. O êmbolo pode deslizar no interior do cilindro livremente e sem atrito. Fornece-se calor ao conjunto. Assinale a alternativa correta: a) A temperatura da amônia aumenta enquanto houver líquido no cilindro. b) O volume específico da amônia permanece constante. c) A pressão da amônia permanece constante enquanto houver líquido no cilindro. d) A pressão da amônia aumenta durante o processo. e) Nenhuma das alternativas anteriores é verdadeira 5) (0,5 ponto) Um bocal destina-se a acelerar os gases de combustão após uma turbina de um Boeing 747-700. Considerado o processo de escoamento do gás no bocal adiabático, assinale a alternativa correta: a) a entropia do fluxo de gases de combustão na entrada do bocal será igual à da saída b) a entropia do fluxo de gases de combustão na saída do bocal será menor que na entrada c) a entropia do fluxo de gases de combustão irá depender da troca de calor que ocorre no bocal d) a entropia do fluxo de gases de combustão na saída do bocal será maior que na entrada e) é impossível determinar em qual ponto a entropia será maior 6) (0,5 ponto) O ciclo de potência mostrado na figura abaixo possui rendimento de 20%. Pode-se afirmar que: a) b) c) d) e) 5
7) (0,5 ponto) A caldeira para geração de vapor é um dos equipamentos energéticos mais importantes em uma planta de geração de energia utilizada em usinas termelétricas e nucleares. Durante este processo, grande quantidade de energia em forma de calor é liberada para o aproveitamento de uma substância que efetua o ciclo térmico, sendo que, dada sua grande disponibilidade, a mesma é frequentemente água. A história recente deste equipamento revela apreciáveis avanços nos parâmetros de geração atingidos Brevemente descrita em termos de funcionamento, água em estado líquido ingressa na caldeira impulsionada pela bomba de água de alimentação, sendo que devido ao calor absorvido dos gases quentes da combustão liberados na fornalha, ou devido a reação nuclear, a mesma atinge o estado de vapor superaquecido de elevada temperatura e pressão. Para sua melhor compreensão, embora existam perdas de pressão durante o percurso da água pela caldeira, o processo é admitido à pressão constante, sendo os dados que aparecem na tabela abaixo aqueles que mostram de forma aproximada as condições de saturação na pressão de trabalho da citada caldeira. P (kpa) Tsat ( o C) v L (m 3 /kg) v v (m 3 /kg) u L (kj/kg) u V (kj/kg) 8000 295 0,001384 0,023525 1300 2600 Resumidamente, tal processo pode ser representado no seguinte diagrama Temperatura- Volume considerando água como substância trabalho. De acordo com a descrição prévia, podem ser feitas as seguintes afirmações: I - Os pontos F e G estão sob a mesma temperatura de 295 C, o qual chamamos de temperatura de saturação para a pressão de trabalho da caldeira. II - O título do vapor nos pontos F e G são iguais, assim como a pressão e a temperatura. III - Para um ponto da região de mistura cujo título seja de 0,5, a energia interna é aproximadamente 1950 kj/kg V O processo da substância entre os estados 1, F e G ocorre à pressão e temperatura constante IV - No ponto F começa o processo de mudança de fase líquida para a fase vapor São enunciados falsos: a) Os enunciados II e IV b) Os enunciados I e IV c) Os enunciados I e III d) Só o enunciado IV e) Só o enunciado V
8) (2,0 pontos) Diversos equipamentos industriais utilizam turbinas, compressores, bocais, trocadores de calor, bombas, etc. Considere uma máquina de corte por jato d água a alta velocidade, com vazão volumétrica de 0,002 m 3 /s. A velocidade da água na seção de corte pode chegar a uma velocidade de 24 km/h. Neste ponto a água encontra-se na forma de água líquida comprimida com entalpia específica de 77,41 kj/kg e volume específico de 0,5x10-3 m 3 /kg. A bomba para proporcionar esse jato é alimentada por um grande reservatório com entalpia específica de 87,41 kj/kg e velocidade inicial nula. Determine: a) A vazão mássica do jato, sabendo que a mesma é a relação entre a vazão volumétrica e a massa ou volume específico. b) A potência necessária para acionar a bomba considerando que não haja troca de calor com a vizinhança. Resolução a) b) [ ] [ ] [ ] Sendo que deve ser negativo pois isso significa que trabalho está sendo fornecido para a bomba.
9) (2,0 pontos) Conforme ilustra a figura, dois ciclos reversíveis são colocados em série de forma que cada um tenha a mesma eficiência térmica do outro. O primeiro ciclo recebe energia Q H por transferência de calor de um reservatório quente 3727 C e rejeita a energia Q por transferência de calor para um reservatório a temperatura intermediária T. O segundo ciclo recebe a energia Q por transferência de calor do reservatório à temperatura T e rejeita a energia Q c por transferência de calor para um reservatório a 727 C. Todas as transferências de energia são positivas nos sentidos das setas. Determine: a) A equação que representa a temperatura T em relação às temperaturas T H e T C. b) O valor da temperatura intermediária T, em C. Resolução a) b)
10) (2,5 pontos) Deseja-se produzir refrigeração a -30 C. Dispõe-se de um reservatório térmico a 227 C e a temperatura ambiente é 23 C. Assim, trabalho pode ser produzido por um motor térmico operando entre o reservatório de 227 C e o ambiente, e esse trabalho pode ser utilizado para acionar o refrigerador. Admitindo que todos os processor sejam reversíveis, determine a razão entre os calores transferidos do reservatório de alta temperatura e do espaço refrigerado. Resolução: