Termodinâmica I
2º Exame – 4 de Fevereiro de 2005
(Duração da prova: 180min)
Problema 1 (6 valores)
Muitas vezes fala-se em conservação da energia, embora se saiba que a quantidade de
energia se conserva. O que não se conserva é a qualidade da energia.
Em muitos locais é armazenada energia solar em grandes volumes de água,
denominados lagos solares, para ser utilizada como fonte quente na produção de
electricidade. A ordem de grandeza da temperatura da água num lago solar pode
rondar os 350 K.
Por outro lado, a produção de electricidade numa central térmica a vapor utiliza a
energia térmica dos produtos da combustão de um combustível, os quais se pode
assumir estarem a uma temperatura média de cerca de 750 K ao longo do processo
de troca de calor.
a)
b)
Considere que a temperatura ambiente é de 27oC. Diga qual dos dois
sistemas de produção de energia eléctrica prefere, tendo em conta a
qualidade e a quantidade das energias postas em jogo. Fundamente a
resposta com clareza em apenas duas linhas;
Alguém afirmou que a central solar é capaz de produzir 1,5 MW de
electricidade com uma recolha de energia solar de 7,5 MW. Diga se
acredita e fundamente porquê.
Problema 2 (7 valores)
Pretende-se encher um pneu de automóvel com uma lata de ar comprimido a alta
pressão. A temperatura inicial do ar no pneu e na lata é de 295K e a pressão inicial
do ar no pneu é de 1bar.
a) Este processo de enchimento pode ser considerado rápido. Nestas condições
que hipótese formularia relativamente às trocas de calor envolvidas.
b) Determine a pressão inicial a que o ar comprimido tem de estar, dentro da
lata, para encher o pneu de 1bar a 2.6bar (se não respondeu à alinea anterior
assuma que o processo é adiabático)
c) Determine a temperatura do ar no pneu e na lata no fim do enchimento
Assuma que:
- o ar atmosférico comporta-se como um gás ideal com Cp=1.1kJ/kgK
- o pneu e a lata não alteram as suas formas ou volumes durante o enchimento
- o volume interno do pneu é 4 x 10-2 m3
- o volume interno da lata é de 6 x10-4 m3
- a pressão final do ar na lata e pneu é a mesma
- ASSUMA TUDO O QUE FÔR NECESSÁRIO PARA RESOLVER O
PROBLEMA, JUSTIFICANDO SUNCINTAMENTE.
Termodinâmica I
2º Exame – 4 de Fevereiro de 2005
(Duração da prova: 180min)
Problema 3 (7 valores)
Considere um ciclo bomba de calor constituído por um evaporador, um
condensador, um compressor isentrópico e uma válvula de laminagem. A pressão do
fluido refrigerante R22 no evaporador e no condensador é respectivamente igual a 4
bar e 20 bar, sendo o caudal mássico igual a 4 kgs −1 . O fluido refrigerante apresentase saturado à saída do evaporador e do condensador.
a) Represente o ciclo num diagrama T-s e calcule as entalpias de todos os
pontos.
b) Calcule o COP do ciclo e compare-o com o COP que obteria substituindo a
válvula de laminagem por uma turbina isentrópica.
c) Se a bomba de calor for destinada ao aquecimento de uma casa com uma
temperatura ambiente interior de 20ºC e uma temperatura ambiente
exterior de 10ºC, calcule a potência eléctrica mínima absorvida pela bomba
de calor (utilize o COP do ciclo de Carnot correspondente). Nos seus
cálculos admita que a casa perde calor para o exterior, através das suas
paredes, com um valor igual a 1 kW por grau centígrado de diferença de
temperatura entre o interior e o exterior.
d) Suponha que pretende comprar uma bomba de calor para o aquecimento
ambiente de uma casa em Lisboa. As temperaturas médias mensais
atmosféricas (ºC) são iguais a:
Jan.
10.8
Fev.
11.6
Mar.
13.6
Abr.
15.6
Mai.
17.2
Jun.
20.1
Jul.
22.2
Ago.
22.5
Set.
21.2
Out.
18.2
Nov.
14.4
Dez.
11.5
Como pretende uma temperatura de conforto no interior da casa igual a
20ºC, o equipamento será utilizado todo o ano excepto de Junho a
Setembro. Ao consultar um fabricante este propõem-lhe uma bomba de calor
com uma potência calorífica máxima de 22kW e um rendimento térmico de
COP=3.2. A bomba de calor custa 8800 euros. Calcule ao fim de quantos
anos poderá recuperar o investimento inicial mais os custos associados à
exploração do equipamento (potência eléctrica absorvida pelo compressor)
comparando a solução escolhida com um aquecimento eléctrico tradicional.
Faça as contas considerando um custo de electricidade de 0.0988 euros por
kWh (tarifário em vigor). Utilize o coeficiente de transferência de calor
referido na alínea anterior (1 kW º C ) e admita que o mês de Fevereiro tem
29 dias.