Primeira lista de exercícios – Fenômenos de Transporte

Primeira lista de exercícios – Fenômenos de Transporte
1-) Explique a principal diferença entre um fluido newtoniano e um fluido não newtoniano.
2-) Um engenheiro precisa aumentar a vazão de bombeamento de um fluido não newtoniano
dilatante. Explique a principal dificuldade prática deste aumento de vazão.
3-) Em termos mais gerais o que significa um fluxo de quantidade de movimento? Utilize o
conceito de fluxo em sua dedução.
4-) Um cientista afirma que consegue determinar todas as propriedades da água, sabendo apenas
pressão e temperatura, enquanto a mesma está mudando de fase. Discuta se isso é possível.
5-) Uma amostra contendo água líquida, óleo e vapor de água possui quantas fases e quantas
substâncias puras?
6-) 5 kg de vapor de água contidos dentro de um conjunto cilindro-pistão sofrem uma expansão de
um estado 1, onde a energia interna específica é u1=2709,9kJ/kg, até um estado 2, onde
u2=2659,6kJ/kg. Durante o processo, há transferência de calor para o vapor d'água com magnitude
de 80kJ. Também um agitador transfere energia para o vapor d'água através de trabalho numa
quantidade de 18,5kJ. Não há variação significativa na energia cinética ou potencial do vapor.
Determine a energia transferida por trabalho do vapor para o pistão em kJ.
7-) Ar é mantido em um conjunto cilindro-pistão vertical por um pistão com massa de 50 kg e que
possui uma área de face de 0,01 m². A massa de ar é de 4 g, e inicialmente este ocupa um volume de
5 l (litros). A atmosfera exerce uma pressão de 100 kPa sobre o topo do pistão. Uma transferência
de calor de magnitude 1,41 kJ ocorre lentamente do ar para a vizinhança, e o volume do ar diminui
para 0,0025 m³. Deprezando o atrito entre o pistão e a parede do cilindro, determine a varização na
energia interna específica do ar, em kJ/kg.
8-) Para um ciclo de geração de potência, as transferências de calor são Q_entra = 25.000 kJ e
Q_sai= 15.000 kJ. Determine o trabalho líquido, em kJ, e a eficiência térmica deste ciclo.
9-) Um ciclo de refrigeração possui um coeficiente de desempenho de 2,5. Para este ciclo o calor
retirado é de 2000 kJ. Determine o calor que entra no ciclo e o trabalho líquido gasto para retirar
calor da fonte fria e enviá-lo à fonte quente, ambos em kJ.
10-) As superfícies externas de pequenos motores a gasolina são frequentemente cobertas com
aletas que aumentam a transferência de calor entre a superfície quente e o ar em volta. Motores
maiores, como motores de automóvel, possuem um refrigerante líquido que escoa entre passagens
no bloco do motor. O refrigerante então passa através do radiador (um trocador de calor de tubo
aletado), onde o resfriamento necessário é fornecido pelo ar que escoa através do radiador.
Considerando estas informações, explique porque alguns motores utilizam refrigerantes líquidos e
outros não.
11-) Um gás se expande em um conjunto cilindro-pistão de p1=8,2 bar, V1=0,0136 m³ até p2=3,4
bar, em um processo durante o qual a relação entre pressão e volume é pV 1,2=constante . A
massa do gás é 0,183 kg. Se a energia interna específica do gás descrescer de 29,8 kJ/kg durante o
processo, determine a transferência de calor em kJ. Os efeitos de energias cinética e potencial são
desprezíveis.
12-) A eficiência térmica de um ciclo de potência é de 30% e o calor rejeitado pelo mesmo é de
Q_sai=650 MJ. Determine o trabalho líquido desenvolvido e a transferência de calor Q_entra,
ambos em MJ.
13-) Uma bateria desenvolve uma potência de saída de :
Ẇ =1,2 exp −t /60
onde, t é o tempo em segundos e Ẇ é a potência em kW.
a-) Determine a expressão que relaciona a variação da energia da bateria com o tempo. Despreze a
transferência de calor em seus cálculos.
b-) O que significa ocorre com a potência de saída e a energia da bateria quando o tempo tende à
infinito?
14-) Um tanque rígido bem isolado com volume de 0,6 m³ contém ar. O tanque está equipado com
um agitador que transfere energia para o ar a uma taxa constante de 4 W durante 1 hora. A massa
específica do ar é de 1,2 kg/m³. Se não houver variação nas energias cinética e potencial, determine:
a-) o volume específico no estado final, em m³/kg.
b-) a transferência de energia através de trabalho, em kJ.
c-) a variação da energia interna específica do ar, em kJ/kg.
15-) Explique como a eficiência termodinâmica de um ciclo Otto para motores a combustão interna
com ignição por centelha é afetada pela taxa de compressão do motor.
16-) Qual é a principal limitação funcional de um motor a combustão por centelha com relação ao
aumento da taxa de compressão à patamares acima de 9?
17-) Qual a vantagem do uso de uma gasolina com maior octanagem?
18-) Qual ciclo teórico é mais eficiente para uma mesma taxa de compressão, o ciclo Otto ou o ciclo
Diesel?
19-) Na prática qual motor é mais eficiente, o motor a Diesel ou o motor a Gasolina? Porque?
20-) Um ciclo Brayton deve ser alimentado com ar a 300 K e 100 kPa. A taxa de transferência de
calor para o ar na câmara de combustão será 670 kJ/kg e a temperatura máxima no ciclo, imposta
por restrições metalúrgicas, é 1200 K. Qual é a máxima relação de compressão que pode ser
utilizada nesse ciclo? Considerando a relação de compressão calculada, determine a eficiência do
ciclo utilizando propriedades do ar frio.
21-) Considere um ciclo padrão a ar Brayton ideal em que a pressão e a temperatura do ar que entra
no compressor são iguais a 100 kPa e 293K e a relação de pressão do compressor é igual a 12 para
1. A temperatura máxima do ciclo é 1373 K e a vazão de ar é 10 kg/s. Admitindo que o calor
específico do ar seja constante (fornecido na tabela A.5), determine o trabalho necessário no
compressor, o trabalho na turbina e o rendimento térmico do ciclo.
22-) Refaça o problema anterior admitindo que o calor específico do ar seja variável (utilize a tabela
A.7).
23-) Um compressor de ar de dois estágios com resfriador intermediário tem temperatura e a
pressão na seção de entrada do primeiro estágio iguais as 17 graus Célsius e 100 kPa. A pressão na
seção de descarga do primeiro estágio de compressão é 500 kPa. O ar descarregado do estágio é
então resfriado, num resfriador intermediário, até 27 graus Célsius, à pressão constante P. O
segundo estágio comprime o ar a 1000 kPa. Admitindo que ambos os estágios sejam adiabáticos e
reversíveis, determine o trabalho específico nos estágios de compressão. Compare esse valor com o
trabalho obtido no caso de não existência de resfriador intermediário (um único compressor
comprimindo o ar de 100 kPa a 1000 kPa).
24-) Um ciclo de turbina a gás para uso veicular está mostrado na figura a seguir.
Na primeira turbina, o gás expande até uma pressão P5, suficiente para que a turbina acione o
compressor. O gás é então expandido numa segunda turbina que aciona as rodas motrizes. Os dados
desse motor estão indicados na figura. Considerando que o fluido de trabalho é o ar, ao longo de
todo o ciclo e admitindo que todos os processos sejam ideais, determine:
a-) A pressão intermediária P5;
b-) O trabalho líquido desenvolvido pelo motor, por quilograma de ar, e a vazão mássica de ar
através do motor;
c-) A temperatura do ar na seção de entrada da câmara de combustão, T3, e o rendimento térmico do
ciclo;
25-) Considere um ciclo Rankine ideal, movido a energia solar, que utiliza água como fluido de
trabalho. Vapor saturado sai do coletor solar a 175 graus Célsius e a pressão do condensador é de 10
kPa. Determine o rendimento térmico desse ciclo.
26-) Uma central de potência a vapor operando num ciclo Rankine apresenta pressão na caldeira
igual a 3 MPa. As temperaturas máxima e mínima do ciclo são iguais a 450 e 45 graus Célsius
respectivamente. Determine a eficiência do ciclo e aquela de um ciclo de Carnot que opera entre
reservatórios térmicos que apresentam temperaturas iguais às máxima e mínima do ciclo Rankine.
27-) Uma central de potência a vapor apresenta pressão máxima igual a 3 MPa e temperatura de 60
graus Célsius no condensador. É utilizada uma turbina de condensação, mas o tótulo não pode ser
menor que 90% em qualquer parte da turbina. Determine o trabalho específico, a transferência de
calor em cada componente do ciclo ideal e a eficiência do ciclo.
28-) Em que situações físicas a equação diferencial da condução de calor é válida?
29-) Quando o método da resistência térmica pode ser utilizado? Fazendo uma analogia com
circuitos elétricos, o que representa corrente e tensão para o caso térmico?
30-) Para que serve o método da capacitância concentrada? Quando ele pode ser utilizado? Que
parâmetro determina a validade do método? O que este parâmetro significa?
31-) Sabe-se que o fenômeno da incandescência representa a emissão de radiação térmica em
comprimentos de onda dentro da faixa da luz visível. Explique porque a incandescência só ocorre
para temperturas muito altas.
32-) Em que situações físicas os fluxos de calor por condução, convecção e radiação térmica são
significativos?
33-) Quais são os dois fatores que complicam a descrição analítica da radiação térmica?
34-) Quando o método da capacitância concentrada não pode ser utilizado, qual é a saída utilizada
para descrever os campos de temperatura no espaço e no tempo? Que método numérico pode ser
utilizado para esta descrição?
Respostas
6-) R: 350 kJ
7-) R: -259,376 kJ/kg
8-) R: 40%
9-) R: Q_entra = 1428,57 kJ; W_ciclo = - 571,43 kJ
11-) R: Q=+2,156 kJ
12 -) R: Q_entra = 928,57 MJ; W_ciclo= 278,57 MJ
14-) R: a-) 0,833 m³/kg; b-) -14,4 kJ; c-) 20 kJ/kg;
22-) R:3,04 MW, 7,32 MW, 0,484