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Lista 1 - Termo
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Termodinâmica I para Engenharia Química Prof. Eduardo R. A. Lima Lista 1 1. Um recipiente não-condutor que contém 25 kg de água a 20 o C possui um agitador acionado pela gravidade, que age sobre um bloco de massa igual a 35kg. O bloco desce vagarosamente uma distância de 5 m acionando o agitador. Admitindo que todo o trabalho realizado sobre o peso é transmitido 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 da energia interna da água. c. A temperatura final da água, que possui Cp = 4,18 kJ /(kg o C). d. A quantidade de calor que deve ser retirada da água para retorná-la à sua temperatura inicial. 2. Meio mol de um gás ideal se expande isotermicamente (a 27ºC) contra uma pressão constante de 1 atm, até duplicar o seu volume, ficando em equilíbrio com a pressão externa. Calcular a variação de energia interna e de entalpia, o calor fornecido para manter constante a temperatura do gás, e a variação da entropia do sistema. 3. Um tanque contendo 20 kg de água a 20 o C 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 o C? Para água, considere Cp = 4,18 kJ/(kg o C). 4. Água líquida a 80 o F [26,67 o C] escoa em um tubo horizontal, no qual não há transferência de calor e de trabalho com as vizinhanças. Sua velocidade é de 40ft/s [12,19 m/s] em uma seção do tubo com diâmetro interno de 1in [2,54 cm]. A água passa desta seção para outra, onde ocorre um aumento brusco de diâmetro. Qual a variação da temperatura da água se o diâmetro da 2ª seção for de 1,5 in [3,81 cm] ? E se ele for de 3 in [7,62 cm] ? Qual seria a variação máxima da temperatura para um aumento brusco de diâmetro? 5. Deduza a equação para o trabalho na compressão isotérmica reversível de 1 mol de gás em um dispositivo pistão/cilindro, sendo o volume do gás dado por V = RT/P + b, sendo b uma constante. 6. Dióxido de carbono gasoso entra em um compressor resfriado a água, nas condições iniciais P 1 = 15 psia e T 1 = 50 o F, e é descarregado nas condições finais P 2 = 520 psia e T 2 = 200 o F. O CO 2 alimentado escoa por um tubo de 4 polegadas de diâmetro, a uma velocidade de 20 ft/s, e é descarregado por um tudo de 1 polegada. O trabalho de eixo
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Termodinâmica I para Engenharia Química
Prof. Eduardo R. A. Lima
Lista 1
1. Um recipiente não-condutor que contém 25 kg de água a 20oC possui um agitador acionado pela gravidade, que age sobre um bloco de massa igual a 35kg. O bloco desce vagarosamente uma distância de 5 m acionando o agitador. Admitindo que todo o trabalho realizado sobre o peso é transmitido para a água e que a aceleração da gravidade local é de 9,8 m/s2, determine:
a. A quantidade de trabalho realizado sobre a água.
b. A variação da energia interna da água.
c. A temperatura final da água, que possui Cp = 4,18 kJ /(kg oC).
d. A quantidade de calor que deve ser retirada da água para retorná-la à sua temperatura inicial.
2. Meio mol de um gás ideal se expande isotermicamente (a 27ºC) contra uma pressão constante de 1 atm, até duplicar o seu volume, ficando em equilíbrio com a pressão externa. Calcular a variação de energia interna e de entalpia, o calor fornecido para manter constante a temperatura do gás, e a variação da entropia do sistema.
3. 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 30oC? Para água, considere Cp = 4,18 kJ/(kg oC).
4. Água líquida a 80oF [26,67oC] escoa em um tubo horizontal, no qual não há transferência de calor e de trabalho com as vizinhanças. Sua velocidade é de 40ft/s [12,19 m/s] em uma seção do tubo com diâmetro interno de 1in [2,54 cm]. A água passa desta seção para outra, onde ocorre um aumento brusco de diâmetro. Qual a variação da temperatura da água se o diâmetro da 2ª seção for de 1,5 in [3,81 cm] ? E se ele for de 3 in [7,62 cm] ? Qual seria a variação máxima da temperatura para um aumento brusco de diâmetro?
5. Deduza a equação para o trabalho na compressão isotérmica reversível de 1 mol de gás em um dispositivo pistão/cilindro, sendo o volume do gás dado por V = RT/P + b, sendo b uma constante.
6. Dióxido de carbono gasoso entra em um compressor resfriado a água, nas condições iniciais P1 = 15 psia e T1 = 50oF, e é descarregado nas condições finais P2 = 520 psia e T2 = 200oF. O CO2 alimentado escoa por um tubo de 4 polegadas de diâmetro, a uma velocidade de 20 ft/s, e é descarregado por um tudo de 1 polegada. O trabalho de eixo
fornecido pelo compressor é igual a 5.360 Btu/mol. Qual é a taxa de transferência de calor saindo do compressor em Btu/h? Dados: H1 = 307 Btu/lbm ; H2 = 330 Btu/lbm ; V1 = 9,25 ft3/lbm ; V2 = 0,28 ft3/lbm.
7. Um quilograma de ar é aquecido reversivelmente, a pressão constante, de um estado inicial de 300 K e 1 bar até que seu volume triplique. Calcule W, Q, ΔU e ΔH para o processo. Admita que o ar obedeça a relação PV/T = 83,14 bar cm3/(mol K) e que Cp = 29 J /(mol K).
8. Mostre que W e Q são dados por
)(PVVdPW Δ−= ∫ ; ∫−Δ= VdPHQ
em um processo arbitrário, sem escoamento e mecanicamente reversível.
9. Estimar o trabalho realizado por um mol de gás ideal (CV = 3 cal/mol.K) que efetua o ciclo ABCA em que: AB é um aquecimento isocórico reversível; BC é uma expansão isotérmica reversível; CA é um resfriamento isobárico reversível. Estimar a variação de energia interna e de entalpia ao longo de cada processo do ciclo. Dados: VA = 25L; VC = 50L; PA = PC = 1,0 atm.
10. Determinar a variação da energia interna e da entalpia de um mol de gás ideal monoatômico (CV = 2,97 cal/mol.K) que é comprimido de 30 L até 10 L, enquanto sua temperatura passa de 400 para 300 K.
11. Considerando 1 kg de água líquida [considere Cp = 1 cal/(g.oC) constante] :
a. Inicialmente a 0oC, ela é aquecida, a pressão constante, até 100oC pelo contato com um reservatório de calor a 100oC. Qual é a variação de entropia da água? E do reservatório de calor? Qual o ΔStotal?
b. Inicialmente a 0oC, ela é primeiramente aquecida, a pressão constante, até 50oC pelo contato com um reservatório de calor a 50oC e então até 100oC pelo contato com um reservatório a 100oC. Qual o ΔStotal?
c. Explique como a água poderia ser aquecida de 0 a 100oC com ΔStotal = 0.
12. Sabendo-se que a equação de Boltzmann é lnS k= Ω , escreva o significado de Ω . Mostre que a variação de entropia devido à expansão de V1 para V2 = 2V1 (a T=300K ) de um mol de gás ideal é de R ln(2).
