4º LISTA DE EXERCÍCIOS DE

TERMODINÂMICA TÉCNICA I

Curso: Engenharia Mecânica

Tema: Primeira Lei da Termodinâmica para Sistemas Fechados – Balanço de energia

Professor: Fernando Castillo Vicencio

Data de Entrega: 18/03/2015

Exercício 1. A eficiência térmica de um ciclo de potência como o mostrado na figura seguinte

é de 30%, e o 650saídaQ MJ . Determine o trabalho neto desenvolvido, e a transferência de

calor entradaQ , em kJ.

Exercício 2. Um sistema fechado de massa 5 kg sofre um processo no qual existe um trabalho

de 9 kJ ao sistema desde a vizinhança. A elevação do sistema aumenta em 700 m durante o

processo. A energia interna específica do sistema decresce em 6 kJ/kg e não existe variação da

energia cinética do sistema. A aceleração da gravidade é constante em 29,6 /g m s .

Determine a transferência de calor, em kJ.

Exercício 3. Um chip quadrado de silício que mede 5mm de lado e 1mm de espessura está

integrada a um substrato cerâmico. Em regime permanente, o chip tem uma entrada de trabalho

elétrico de 0,225 W. A parte superior da superfície do chip está exposta a um refrigerante cuja

temperatura é de 20º C. A taxa de transferência de energia por calor entre o chip e o refrigerante

está dado por b iQ hA T T , onde bT e

iT são as temperaturas da superfície e do

refrigerante, respectivamente. A é a área superficial e 2150 / .h W m K . Se a transferência de

calor entre o chip e o substrato é desprezível, determina a temperatura da superfície do chip,

em ºC.

Exercício 4. Quatro quilogramas de um certo gás estão contidos num sistema cilindro-pistão.

O gás sofre um processo onde a relação P-V está dada por 1,5 constantePV . A pressão inicial

é de 3 bar, o volume inicial é de 30,1m e o volume final é de 30,2m . A variação da energia

interna específica do gás no processo é de 2 1 4,6 / kgu u kJ . Considerando que não

existem mudanças significativas na energia cinética nem potencial, determine o calor líquido

transferido no processo, em kJ.

Exercício 5. Um gás é submetido a um ciclo termodinâmico consistindo dos processos:

Processo 1-2: Volume constante, 30,028V m , 2 1 26,4U U kJ .

Processo 2-3: Expansão com constantepV , 3 2U U .

Processo 3-1: Pressão constante, 1,4p bar , 31 10,5W kJ .

Não existem variações na energia cinética nem na energia potencial.

(a) Desenhe o ciclo em um diagrama P-V.

(b) Calcule o trabalho líquido para o ciclo, em kJ.

(c) Calcule a transferência de calor para o processo 2-3, em kJ.

(d) Calcule a transferência de calor para o processo 3-1,e em kJ.

Exercício 6. Um gás contido em um sistema cilindro-pistão passa por dois processos, A, B e

C, com os mesmos estados extremos, 1 e 2, em que 1 10p bar , 3

1 0,1V m , 1 400U kJ e

2 1p bar , 3

2 1,0V m , 2 200U kJ .

A) Processo A: processo com a relação pV cte

B) Processo B: Relação linear entre pressão e volume

C) Processo C: processo com a relação 1,4pV cte

Os efeitos das energias cinética e potencial podem ser desprezados. Para cada um dos

processos, trace o diagrama p-V, calcule o trabalho e a taxa de transferência de calor.

Exercício 7. Um gás está contido em um conjunto cilindro-pistão como mostrado na figura.

Inicialmente, a superfície do pistão está em 0x , e a mola não exerce força no pistão. Como

resultado da transferência de calor, o gás expande, elevando o pistão até as travas situadas em

0,06x m e a transferência de calor cessa. A força exercida pela mola no pistão varia

linearmente com x segundo a lei de Hooke:

molaF kx

Onde 9000 /k N m . O atrito entre o pistão e o cilindro pode ser desprezado. A aceleração

da gravidade é de 29,81 /m s .

(a) Qual é a pressão inicial do gás, em kPa?

(b) Determine o trabalho feito pelo gás no pistão, em J.

(c) Se a energia interna específica do gás nos estados inicial e final são 210 e 335 kJ/kg,

respectivamente, calcule a transferência de calor, em J.

Exercício 8. Um ciclo de potência têm uma eficiência térmica de 35% a gera eletricidade a

uma taxa de 100 MW. A eletricidade custa $0,08 por kW.h. Baseados no custo de combustível,

o custo de fornecimento de energia térmica é de $4,50inQ por GJ. Para 8000 horas de

operação anual, determine, em $,

(a) O custo da eletricidade gerada por ano.

(b) O custo anual de combustível.

Exercício 9. Um ciclo de bomba de calor cujo coeficiente de performance é de 2,5; produz

energia por transferência de calor em uma residência a uma taxa de 20 kW.

(a) Determine a potência líquida requerida para operar a bomba de calor, em kW.

(b) Avaliando a eletricidade a $0,08 por kW.h, determine o custo da eletricidade em um

mês, quando a bomba opera por 200 horas.

Exercício 10. A figura seguinte mostra o ciclo de potência efetuado por um gás em conjunto

cilindro pistão. Para o processo 1-2, 2 1 15U U kJ . Para o processo 3-1,

31 10Q kJ . Não há

variações da energia cinética ou potencial. Determine (a) o trabalho em cada processo, em kJ,

(b) a transferência de calor para os processos 1-2 e 2-3, ambos em kJ, e (c) a eficiência térmica.

Exercício 11. Um ciclo de potência têm uma eficiência térmica de 35% a gera eletricidade a

uma taxa de 100 MW. A eletricidade custa $0,08 por kW.h. Baseados no custo de combustível,

o custo de fornecimento de energia térmica é de $4,50inQ por GJ. Para 8000 horas de

operação anual, determine, em $,

(c) O custo da eletricidade gerada por ano.

(d) O custo anual de combustível.