AV1 - Termodinâmica [RESOLVIDA COM NOTA MÁXIMA]

1) Sabemos que a massa específica é mais usual na engenharia e tem como símbolo a letra grega ¿ (rô), o volume específico (v) é a mais usual na termodinâmica e a pressão é utilizada para o calculo do trabalho. Relacione as propriedade relacionadas na coluna A com informações apresentadas na coluna B.

 

 

Coluna A	Coluna B
I -Massa específica	A -É dado pela razão entre volume e massa.
II - Volume específico	B - É dado pela razão entre a força e área.
III - Pressão	C - É dado pela razão entre a massa e o volume.

Assinale a alternativa correta.

---

Alternativas:

• a)

  I-A / II-B / III-C.

• b)

  I - B / II-A / III-C.

• c)

  I-C / II-A / III-B.

• d)

  I-C / II-B / III-A.

• e)

  I-A / I-C / III-B.

2)

Ao iniciar um experimento, em um recipiente de vidro temperado e graduado, utilizando termômetro e manômetro, colocamos 5 kg de água liquida a uma temperatura de 20ºC e pressão atmosférica a nível do mar de 101 KPa. Esse recipiente será fechado e um bico de Bunsen fornece calor a esse sistema. Após algum tempo de experimento, o manômetro está exibindo uma pressão de 190 KPa, a temperatura indicado no termômetro é de 120 ºC. Através da graduação do recipiente, notamos que a massa de água liquida é de 2,8 Kg.

Para que o experimento seja valido, necessitamos que o titulo seja de no máximo 35% de massa de água na fase de vapor. Assinale a alternativa correta.

---

Alternativas:

• a)

  O experimento é válido pois o titulo da mistura é 33% de massa de água na fase de vapor.

• b)

  O experimento não é válido pois o titulo da mistura é 67% de massa de água na fase de vapor.

• c)

  O experimento é válido pois o titulo da mistura é 28% de massa de água na fase de vapor.

• d)

  O experimento não é válido pois o titulo da mistura é 44% de massa de água na fase de vapor.

• e)

  O experimento não é válido pois o titulo da mistura é 56% de massa de água na fase de vapor.

3)

Um recipiente contém uma mistura saturada de fluido refrigerante R–134a a 30°C. Sabe-se que o volume ocupado pela fase líquida é 0,1 m3 e que o volume ocupado pela fase vapor é 0,9 m3. A tabela abaixo apresenta os valores da propriedades termodinâmicas, para líquido e vapor, da substância pura em questão.

 

Tabela 1. Propriedades termodinâmicas do Gás refrigerante R-134a.

 

 

Fonte da imagem: VAN WYLEN, G.; SONNTAG, R.; BORGNAKKE, C. Fundamentos da Termodinâmica Clássica. Ed. Edgard Blucher Ltda., São Paulo, 1997.

Com base nessas informações, o título da mistura contida no recipiente é de:

---

Alternativas:

• a)

  10,2 %.

• b)

  11,8 %.

• c)

  14,7 %.

• d)

  18,7 %.

• e)

  22,1%.

4)

Segundo Moran & Shapiro (2002, p 46), quando um sistema em um dado estado inicial percorre uma sequência de processos (mudança de estado) e finalmente retorna àquele estado, o sistema executou um ciclo termodinâmico, como o apresentado na Figura.

 

MORAN, Michael J.; SHAPIRO, Howard N. Princípios de Termodinâmica para Engenharia. 4A. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002.

 

Com base nesta definição, avalie as asserções a seguir e a relação proposta entre elas.

 

I. O balanço de energia de um sistema termodinâmico que percorre um ciclo pode ser definido matematicamente como (), onde Qciclo e Wciclo representam respectivamente a energia líquida transferida na forma de calor e trabalho e ¿E representa a variação de energia líquida no sistema, que é nula (¿E = 0), uma vez que o sistema sempre retorna ao seu estado inicial após completar o ciclo.

PORQUE

 

II. Segundo a primeira lei da termodinâmica, toda a energia que é fornecida ao ciclo termodinâmico na forma de calor é convertida em energia na forma de trabalho sem importar a natureza das substâncias ou o número de processos que compõem o ciclo termodinâmico.

A respeito dessas asserções, assinale a alternativa correta.

---

Alternativas:

• a)

  As asserções I e II são proposições verdadeiras, e a II é uma justificativa da I.

• b)

  As asserções I e II são proposições verdadeiras, mas a II não é uma justificativa da I.

• c)

  A asserção I é uma proposição verdadeira, e a II é uma proposição falsa.

• d)

  A asserção I é uma proposição falsa, e a II é uma proposição verdadeira.

• e)

  As asserções I e II são proposições falsas.

5)

Um sistema termodinâmico que pode ser considerado um sistema fechado experimenta um processo de interações energéticas na forma de calor e trabalho de eixo de acordo com os dados apresentados na Tabela 1.

Tabela 1

t (min)	Q (kJ/s)	Wn (kJ/s)
0	9632	0,0
10	9632	777,5
20	9632	1353,6
30	9632	1780,3
40	9632	2096,4
50	9632	2330,6
60	9632	2504,1
65	9632	2504,1
80	9632	2504,1
200	9632	2504,1

 

De acordo com os dados fornecidos na Tabela 1 avalie as afirmações a seguir como (V) verdadeiras ou (F) falsas.

(   ) O sistema termodinâmico apresentado mostra um processo em operação transiente, o qual recebe energia a uma taxa constante na forma calor desde suas vizinhanças e transfere ao seu entorno energia na forma de trabalho a uma taxa (dW/dt), atingindo o estado de operação estável após uma hora de operação.

(   ) Após 75 min de operação a taxa de variação de energia no sistema (dE/dt) é equivalente a 2504,1 kJ/s.

(   ) Após 40 min de operação a variação de energia do sistema (¿E) é equivalente a 335150,3 kJ/s.

(   ) Após 200 min de operação a variação de energia do sistema (¿E) é equivalente a 1479297,6 kJ/s.

É correto o que se afirma em:

---

Alternativas:

• a)

  V – V – F - F.

• b)

  F – F – V - V.

• c)

  F – V – F - V.

• d)

  V – F – F - V.

• e)

  V – F – V - V.

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AVI SISTEMAS TÉRMICOS [RESOLVIDA]

Estudo de Caso – Problematização – Identificar os equipamentos que compõe um Sistema de Potência a Vapor (SPV), seus respectivos esquemas de montagem, seus diagramas, bem como as suas equações que compõe cada equipamento do ciclo térmico.

[1] Muitos são os sistemas de geração de energia, como os aplicados em Usinas Termeletricas. Eles são possíveis utilizando os princípios gerados através do Ciclo de Carnot, mas sabemos que esse ciclo é teórico, ou seja, é impossível obter um rendimento de 100 % do sistema conforme previsto.

Considerando as informações acima, faça o que se pede:

a)      Monte a representação do esquema do Ciclo de Carnot com os equipamentos que o compõe e defina em quais destes há entrada e a saída de Taxa de Calor no Sistema e em quais há entrada e a saída de Trabalho no Sistema. Monte, também, a representação do Diagrama característico do ciclo de Carnot.

b)      Determine qual o sistema de geração de vapor que foi descrito no texto, ou seja, qual é o ciclo térmico utilizado na geração de energia elétrica nas Usinas Termelétricas e Monte a representação do esquema do Ciclo, bem como os equipamentos que o compõe. Defina em quais destes há entrada e a saída de Taxa de Calor no Sistema e em quais há entrada e a saída de Trabalho no Sistema.

[2] Muitos são os sistemas de geração de energia, como os aplicados em Usinas Termelétricas. Eles são possíveis utilizando os princípios gerados através do Ciclo de Carnot, mas sabemos que esse ciclo é teórico, ou seja, é impossível obter um rendimento de 100 % do sistema conforme previsto. 

Considerando as informações acima, faça o que se pede:

a)      Monte a representação do Diagrama característico do Ciclo a Vapor que é utilizado nas Usinas Termelétricas.

b)      Agora, já conhecido o Ciclo a Vapor utilizado nas Usinas Termelétricas, denominar os quatro equipamentos que compõem esse sistema e apresentar as respectivas equações que cada um tem ao longo do sistema.

 

 

 

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ATIVIDADE 1 – MÁQUINAS TÉRMICAS – UNICESUMAR 52 2024

Você foi contratado por uma empresa que realiza serviços de manutenção em sistemas de refrigeração industrial e foi chamado para avaliar o desempenho de uma torre de resfriamento.
Sabemos que todo sistema de refrigeração precisa eventualmente rejeitar o calor de processos industriais para algum outro meio. Quando for possível, esse calor deve ser rejeitado diretamente para o ar atmosférico, porém existem situações que o condensador pode se encontrar em ambientes fechados (como subsolo por exemplo), precisando então rejeitar o calor para um meio “intermediário”, como a água por exemplo.

Ao chegar no local, você constatou a seguinte torre apresentada a seguir:

 

Após avaliar a situação, DESCREVA tecnicamente como é o funcionamento dessa torre de resfriamento, citando o que acontece com a água (pontos 1 e 2) e com o ar atmosférico (pontos 3 e 4). Qual a função da água de reposição (ponto 5) apresentada no fluxograma?

 

 

 

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AV2 - Física - Energia [ATIVIDADE RESOLVIDA]

[1] Três fluidos distintos são lançados ao mesmo tempo em um recipiente. É visível que eles não se misturam. Após a agitação inicial, o sistema atinge seu equilíbrio. Os fluidos se estabilizam em camadas distintas, com o fluido A ocupando uma faixa no fundo do recipiente e o fluido C ocupando uma faixa no topo dos outros dois e o fluido B ocupando uma faixa intermediária no recipiente. A partir das informações, escolha a alternativa que classifica corretamente a densidade dos fluidos:

[2] Calcule a força de empuxo sobre um cubo de lado 0,6m completamente submerso em um fluido de desnsidade 900kg/m³. considere g=10 m/s²

a) 0,85kN
b) 1,32kN
c) 1,94kN
d) 2,28kN
e) 2,71kN

[3] Calcule a vazão de um fluido que escoa em um duto quadrado de lado 0,5m com velocidade 0,8 m/s

[4] A _____ é uma grandeza física que indica o estado de vibração e movimento dos átomos e moléculas que o compõe O _____ é um estado onde todos os átomos e moléculas do sistema estudado tiveram tempo suficiente para trocar energia e atingirem um estado médio de vibração e movimento Um objeto em equilíbrio térmico tem uma _____ constante em todos os pontos. Marque a alternativa que preenche corretamente as lacunas:

a) pressão; equilíbrio térmico; velocidade
b) pressão; equilíbrio dinâmico; velocidade
c) temperatura; equilíbrio dinâmico; temperatura
d) temperatura; equilíbrio térmico; velocidade
e) temperatura; equilíbrio térmico; temperatura

[5] Uma máquina térmica é descrita como um sistema que recebe calor da fonte quente e descarta calor na fonte fria para gerar um trabalho útil A Segunda Lei da Termodinâmica explica que não é possível gerar uma máquina térmica que transforme integralmente o calor da fonte quente em trabalho A máquina térmica mais eficiente que pode ser criada é a máquina de Carnot. Uma máquina térmica possui eficiência igual a 0,38 e realiza um trabalho de 12000J por ciclo quando em funcionamento. Marque a alternativa que contém o calor recebido a cada ciclo do reservatório quente e do reservatório frio, respectivamente:

a) 50333J ; 62333J
b) 22812J ; 34812J
c) 19579J ; 31579J
d) 5000J ; 17000J
e) 13800J ; 23800J

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ATIVIDADE 1 - INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL [RESOLVIDA]

ETAPA 1: Um sensor de temperatura utilizado em um processo industrial possui uma resposta de 2mV/°C e está inserido em um sistema de medição. Para melhorar a leitura por um display, foi colocado um amplificador de ganho 100 na saída desse sensor. Esse sistema tem a capacidade de medir temperaturas de 10°C a 100°C, em uma escala de leitura de 9cm. A partir dessas informações, determine:
a) A faixa de medida (ou RANGE).
b) O alcance (ou SPAN).
c) A sensibilidade.
d) A temperatura correspondente aos 7,4V obtidos da medição.

ETAPA 2: Para a representação de um processo industrial podem ser utilizados alguns diagramas, sendo eles o Diagrama de Bloco de Fluxo, o Diagrama de Fluxo do Processo e o Diagrama de Processos e Instrumentos. Descreva quais são as características e diferenças de cada um desses três tipos de diagramas.

 

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MAPA – REFRIGERAÇÃO E CONDICIONAMENTO DE AR [RESOLVIDO]

Caro estudante, antes de iniciarmos esta jornada, sugiro que você revise todos os conceitos que você aprendeu durante a disciplina. A cada conceito, busque relacionar com alguma aplicação do seu cotidiano. Para reforçar o seu entendimento, relembre os conceitos que você aprendeu em termodinâmica, fenômenos de transporte e máquinas térmicas, e tente aplicá-los ao conteúdo abordado na disciplina Refrigeração e Condicionamento de Ar. A área de refrigeração e condicionamento de ar é uma das principais áreas de atuação do profissional de engenharia mecânica. As aplicações comerciais e industriais que envolvem os sistemas de refrigeração e condicionamento de ar nada mais é do que uma aplicação direta da termodinâmica. Dentre essas aplicações pode-se citar as câmaras frigoríficas, as unidades de recuperação de calor, os sistemas de ar-condicionado e sistemas inteligentes de aquecimento e controle do ar. Um sistema de refrigeração eficiente foi projeto para um edifício comercial para garantir o conforto térmico dos ocupantes. No entanto, uma sala de escritório está enfrentando dificuldades em manter uma temperatura confortável para os ocupantes. No verão, a temperatura fica muito alta, causando desconforto e reduzindo a produtividade. De forma a implementar um sistema de refrigeração e condicionamento de ar eficiente para controlar a temperatura da sala, você foi contratado para prestar consultoria para uma multinacional a respeito dos sistemas de refrigeração da empresa. Como um bom engenheiro, é de seu conhecimento que o princípio de funcionamento das máquinas térmicas tem como base os ciclos termodinâmicos. Como um bom exemplo desses ciclos, pode-se citar o Ciclo Reverso de Carnot (Ciclo de refrigeração de Carnot) e o Ciclo ideal de refrigeração a vapor.
    Para executar as suas atividades com excelência, você deve buscar entender o problema da empresa e, em seguida, buscar uma solução. Durante as reuniões lhe foram solicitados alguns relatórios e esclarecimentos para a empresa, os quais se encontram a seguir:
a) A eficiência energética do escritório também contribui para o conforto e produtividade de seus ocupantes. Dessa forma, o seu gestor pediu a você um estudo dos requisitos de eficiência energética do escritório e como esses requisitos podem afetar no conforto térmico e na carga térmica do ambiente.

b) A fim de avaliar o sistema de refrigeração do escritório, o seu gestor pediu que você elaborasse um documento explicando como o Coeficiente de Performance (COP) do ciclo de refrigeração pode ser obtido, qual a importância do COP e como o valor do COP pode ser interpretado (quando seria um valor aceitável/ideal).

c) Dentre vários fatores, o valor do COP do sistema de refrigeração pode variar dependendo das condições de operação e do tipo de refrigerante utilizado. Dessa forma, o seu gestor solicitou que você explicasse como a escolha do tipo de refrigerante pode afetar o COP.

d) Para ajudar na escolha do fluido refrigerante ideal para o sistema de refrigeração, apresente ao seu gestor pelo menos seis critérios que devem ser seguidos criteriosamente na escolha de um fluido refrigerante.

e) Para finalizar, apresente o esboço de um ciclo de refrigeração por compressão a vapor genérico, destacando os dispositivos que compõem o ciclo termodinâmico em estudo, a finalidade e o princípio de funcionamento de cada dispositivo do ciclo. Apresente também a equação geral do balanço de energia, bem como o balanço de energia simplificado para cada dispositivo do ciclo. Explique as simplificações realizadas para a obtenção da equação simplificada do balanço de energia para cada dispositivo.

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ATIVIDADE 4 - MÁQUINAS TÉRMICAS

 1ª QUESTÃO “Um ciclo termodinâmico pode ser caracterizado como um ciclo fechado ou aberto. Nos ciclos fechados, o fluido de trabalho retorna ao ponto de partida nas condições iniciais e o ciclo de reinicia, assim como ocorre nas geladeiras. No caso dos ciclos abertos, ao contrário de recircular, o fluido é renovado ao final de cada ciclo. Os motores de automóveis são exemplos de ciclos termodinâmicos abertos, já que ocorre a exaustão e a substituição dos gases de combustão por uma mistura de combustível e ar fresco após cada ciclo. Dessa forma, o motor opera em um ciclo mecânico, mas o fluido de trabalho não completa o ciclo termodinâmico.” Diante do exposto, considere que 10 kg de água escoa em um ciclo termodinâmico fechado. Após uma etapa do ciclo, a corrente se encontra com título de 80% e pressão de saturação de 1MPa. Ao absorver calor do ambiente a pressão constante, a corrente adquire a temperatura de 300 C. Considerando o processo descrito, avalie as alternativas abaixo:

I. Na pressão de saturação de 1MPa e título de 80%, a temperatura da mistura é de aproximadamente 180 C.
II. Na pressão de saturação de 1MPa e título de 80%, a corrente se encontra com entalpia de aproximadamente 2015 kJ.kg .
III. A quantidade de calor absorvido pela corrente foi de 6760 kJ.
IV. Na pressão de saturação de 1MPa e título de 80%, a massa de vapor na mistura é de 2 kg e de líquido 8 kg.
V. Após absorver calor do ambiente, a corrente se torna uma corrente de vapor superaquecido com entalpia de aproximadamente 3051 kJ.kg . É correto o que se afirma em:

I, II e IV, apenas.
I, III e V, apenas.
II, III, IV e V, apenas.
I, III, IV e V, apenas.
I, II, III, IV e V.
 

2ª QUESTÃO O ciclo reversível mais conhecido é o ciclo de Carnot, composto por quatro processos reversíveis, sendo dois isotérmicos e dois adiabáticos. A máquina térmica teórica que funciona segundo o ciclo de Carnot é denominada “máquina térmica de Carnot”. Um exemplo de máquina térmica é um gás confinado em um conjunto pista-cilindro adiabático. Outro exemplo é a alimentação de uma turbina por um vapor produzido em uma caldeira. Considere uma central termelétrica que opera com vapor superaquecido a 450 °C e 8,0 Mpa. O condensador da central rejeita calor de modo que o fluido de trabalho irá sair a 100 C e 100 kPa. A respeito do processo descrito e, assumindo que a central termoelétrica opera segundo o ciclo de Carnot, é correto afirmar que:

A máxima eficiência térmica do ciclo é de aproximadamente 48%.
A fonte fria é o vapor superaquecido e a fonte quente é o condensador.
O fluido de trabalho sai do condensador na forma de líquido sub resfriado.
O máximo rendimento teórico passível de ser obtido é de aprox. 78 %.
O máximo rendimento sempre é obtido, já que os processos reais são reversíveis.
 

3ª QUESTÃO Em grande parte das aplicações industriais a amônia é utilizada como fluido refrigerante, a exemplo do sistema de refrigeração por absorção. No sistema de refrigeração por absorção, o fluido refrigerante mais comum é a amônia devido à baixa temperatura de evaporação da amônia e à sua alta capacidade de troca térmica. Como mencionado, a amônia é bastante utilizada como fluido de trabalho nos sistemas de refrigeração industrial. Em um determinado processo, a amônia entra no trocador de calor 1-1 (U=0,65 kW.m . C ) a uma vazão de 0,5 kg por segundo, a 80 C, 600kPa e com 1630 kJ.kg de energia. Na saída a amônia se encontra a 30 °C, 500 kPa e com entalpia de 1500 kJ.kg de energia. A amônia troca calor com uma corrente de água fria que circula em contracorrente no processo a uma vazão de 2 kg por segundo e entra no trocador a 25 °C. Sabendo que a água possui densidade igual a 1000 kg.m e capacidade calorífica igual a 4,2 kJ.kg .K , avalie as alternativas abaixo:

I. O trocador de calor em questão é um condensador.
II. Em um trocador de calor não há realização de trabalho e as energias cinética e potencial podem ser desprezadas.
III. A troca térmica no trocador de calor é de 65000 W.
IV. A água sai do trocador de calor a aproximadamente 33 C.
V. A área do trocador de calor é de aproximadamente 5,35 m .
É correto o que se afirma em:

 I, II e IV, apenas.
II, III, IV e V, apenas.
I, III e V, apenas.
I, II, IV e V, apenas.
I, II, III, IV e V.
 

4ª QUESTÃO“Nos sistemas abertos existe fluxo de massa pela fronteira que carrega energia consigo, além de calor e trabalho. O fluxo de massa deve obedecer à lei da conservação da massa. O conhecimento da Primeira Lei para sistemas abertos é importante para o estudo de caldeiras, compressores, sistemas de refrigeração e muitas outras aplicações de interesse Equipamentos podem ser considerados sistemas abertos, como as caldeiras a vapor, aquecedores em geral e trocadores de calor. Por sua vez, as máquinas também podem ser tratadas como sistemas abertos, a exemplo das bombas, compressores, turbinas e motores.” Uma caldeira é alimentada com água a 80 °C a 7 atm e deve produzir 2000 kg por hora de vapor saturado a 160 °C e pressão de 6 atm. Sabendo que a água possui densidade igual a 1000 kg.m e capacidade calorífica igual a 4,2 kJ.kg .K , avalie as alternativas abaixo:

I. A vazão de água que alimenta a caldeira é de 2 m por hora.
II. A temperatura de saturação do vapor a 6 atm é de aproximadamente 353 K.
III. A água recebe 187 kW de calor sensível para ser aquecida até o ponto de líquido saturado.
IV. A água recebe 1158 kW de calor latente para ser aquecida do ponto de líquido saturado até o ponto de vapor saturado.
V. A taxa de calor fornecido pela caldeira é de aproximadamente 1345 kW.
É correto o que se afirma em:

I, II e IV, apenas.
II, III, IV e V, apenas.
I, III e V, apenas.
I, III, IV e V, apenas.
I, II, III, IV e V.
 

5ª QUESTÃO Turbina a vapor é um tipo de máquina térmica que produz trabalho a partir da expansão do vapor em seu interior, ou seja, a partir da variação de volume do fluido de trabalho. A turbina de vapor é aplicada em centrais termoelétricas a vapor, sendo alimentada por vapor superaquecido em alta pressão e descarregando vapor saturado em baixa pressão. Uma determinada turbina recebe vapor a 1,75 kg.s , 6 MPa e 3045 kJ.kg , e descarrega o vapor a 90 C e 2660 kJ.kg . Sabendo que a energia cinética e potencial pode ser desprezada e que no processo de expansão a turbina dissipa 30 kW de calor para o meio, avalie as alternativas abaixo:
I. O vapor superaquecido alimenta a turbina a aproximadamente 350 C.
II. A pressão do vapor saturado na descarga da turbina é de aproximadamente 70 kPa.
III. O vapor superaquecido alimenta a turbina a uma vazão de aproximadamente 2,66 m por hora.
IV. Na descarga da turbina o vapor sai a 6,3 toneladas por hora.
V. O trabalho realizado é de aproximadamente 674 kW e está sendo fornecido para a vizinhança.
É correto o que se afirma em:

I, II e IV, apenas.
II, III, IV e V, apenas.
I, III e V, apenas.
I, II, IV e V, apenas.
I, II, III, IV e V.

 

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