Termodinâmica I
Ano Lectivo 2013/14
1º Ciclo - 2ºAno/2º semestre (LEAmb MEAN LEAN MEAer MEMec)
2º Exame, 04 / Julho / 2014 (18:30 – 21:30)
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Sala
Assinale apenas a resposta correta às seguintes perguntas (8 valores)
1. Num processo termodinâmico isotérmico a 127°C o volume de uma certa quantidade de um gás perfeito,
inicialmente à pressão de 2,0 atm, passa de 10 para 20 litros:
a) A pressão final do gás é de 1,0atm
b) O volume especifico do gás permanece
c) O volume especifico diminui para metade
Respostas a)
2. No mesmo processo termodinâmico isotérmico a 127°C em que o volume de uma certa quantidade de um
gás perfeito, inicialmente à pressão de 2,0 atm, passa de 10 para 20 litros:
a) O sistema trocou calor com o meio ambiente.
b) Como a temperatura permaneceu constante, o sistema não trocou calor com a vizinhança
c) A energia interna aumentou.
d) A quantidade de calor trocado e o trabalho realizado são ambos nulos.
Respostas a)
3. Um gás perfeito recebe calor e simultâneamente fornece trabalho numa das transformações:
a) adiabática e isobárica
b) isocórica e isotérmica
c) isotérmica e adiabática
d) isobárica e isotérmica
e) isocórica e adiabática
Resposta d)
4. Numa transformação de um gás perfeito, os estados final e inicial têm a mesma energia interna quando
a) a transformação é cíclica
b) a transformação ocorre a volume constante
c) o processo é adiabático
d) a temperatura inicial é igual à temperatura final
e) não há troca de trabalho entre o gás e o meio
Resposta d)
5. Numa transformação isotérmica de um gás perfeito, o produto p V é constante e vale 33.240 J. A constante
dos gases perfeitos é 8,314 J/mol.K e o número de moles do gás é n=5. Durante o processo, o gás recebe
do meio exterior 2.000 J de calor. O processo é
a) Uma expansão isotérmica
b) Uma compressão isotérmica
c) Uma expansão adiabática
Resposta a): Recebendo calor, o gás realiza trabalho sobre o meio exterior e, portanto, expande. O processo é uma expansão
isotérmica. (pV = nRT = constante)
6. Numa expansão isotérmica de um gás perfeito
a) a energia recebida pelo gás na forma de calor é igual ao trabalho realizado pelo gás na expansão
b) não há trocas energia na forma de calor com o meio exterior
c) não há trocas de energia na forma de trabalho com o meio exterior
d) a energia recebida pelo gás na forma de calor é igual à variação da energia interna do gás
e) o trabalho realizado pelo gás é igual à variação da energia interna do gás
Resposta a): a energia recebida pelo gás na forma de calor é igual ao trabalho realizado pelo gás na expansão
7. Numa central solar para produção de eletricidade, a energia solar térmica acumulada num reservatório de
água (chamado lago solar) está a 350 K quando a temperatura ambiente é de 27oC. Alguém afirmou que
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nestas condições a central solar é capaz de produzir 1,5 MW de eletricidade com uma recolha de energia
solar térmica de 7,5 MW. Esta afirmação
a) Viola a segunda lei da termodinâmica
b) Viola a primeira e a segunda lei da termodinâmica
c) Viola a primeira lei da termodinâmica
Resposta a)
8. Propõe-se aquecer uma habitação usando uma bomba de calor. O calor a fornecer à habitação para a
manter a 297 K é de 14,5 kW quando a temperatura exterior é de 266 K. A potência necessária para
acionar a bomba de calor:
a) Tem de ser maior do que 1,514 W
b) Pode ser inferior a 1,514 W
c) Maior do que 139,4 kW
Resposta a):
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Problema 1 (5 valores)
A figura representa uma conduta, onde se escoa um gás perfeito, e um
tanque rígido e adiabático com um volume
(a linha a tracejado que
contorna o tanque indica a fronteira do sistema que deverá considerar nos
balanços integrais). Os valores da temperatura e pressão na conduta são
constantes e iguais a
e
. Inicialmente existe vácuo
no tanque, entrando em seguida gás perfeito até a pressão atingir o valor final
.
Hipóteses: despreze a contribuição da energia cinética e potencial no balanço de energia; considere calores específicos
e constantes.
Nota: Não se conhecem os valores de
.
e
do gás perfeito. Apenas se conhece a razão dos calores específicos
a) Determine a temperatura final (em ) do gás perfeito no tanque;
b) Determine a produção de entropia devido a irreversibilidades internas
(em
).
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Problema 2 (5 valores)
Um sistema de ar condicionado de janela arrefece 19 m3/min de ar a 1 bar de 22ºC para 15ºC. O sistema de ar
condicionado funciona com um ciclo frigorífico de Refrigerante 22, em regime estacionário. À entrada do compressor do
ciclo o R-22 é vapor saturado a 4 bar. Do condensador sai líquido saturado a 9 bar. O compressor tem um rendimento
isentrópico de 70%.
a) Complete a tabela:
Entrada do compressor
Saida do compressor ideal
Saida do compressor real
Saida do condensador
Entrada do evaporador
Pressão
(bar)
4
Temperatura
(ºC)
Entalpia
( kJ/kg)
9
Calcule:
b)
c)
d)
A potência do compressor em kW.
A eficiência do ciclo frigorifico. Compare com a eficiência de um ciclo Frigorifico de Carnot a funcionar entre dois
reservatórios de calor à temperatura do condensador (zona de mudança de fase) e do evaporador,
respetivamente.
Escreva a equação de balanço de entropia do compressor. Qual a taxa de geração de entropia?
Solução:
Entrada do compressor
Saida do compressor ideal
Saida do compressor real
Saida do condensador
Entrada do evaporador
Pressão
(bar)
4
9
9
9
4
Temperatura
(ºC)
-6.56
19.59
-6.56
Entalpia
( kJ/kg)
247.48
267.32
275.82
68.59
68.59
s Entrada do compressor s= 0.9370 kJ/kg K
h saída do compressor real = (267.32-247.48)/0.7+247.48= 275.82 kJ/kg
a)
A potencia do compressor em kW.
Caudal do ciclo m=19/(0.287*(273+22)/100)/60*(22-15)/(247.48-68.59)= 0.014 kg/s
w= 0.014*(275.82-247.48) = 0.42 kW
b) A eficiência do ciclo frigorifico. Compare com a eficiência de um ciclo Frigorifico de Carnot a funcionar entre duas
fontes à temperatura do condensador e do evaporador.
β = (247.48-68.59)/(275.82-247.48) = 6.26
Bcarnot= (273.15-6.56)/((19.59+6.56)= 10.2
c) Escreva a equação de balanço de entropia do compressor. Qual a taxa de geração de entropia?
σ =0.014 *(0.9643-0.9370)= + 0.0004 kW/K