Este documento apresenta 5 capítulos sobre termodinâmica que discutem: 1) fluxo de gás em um sistema, incluindo fluxo de massa e temperatura na saída; 2) fluxo em um volume de controle; 3) potência e diâmetro de saída de uma turbina a vapor; 4) potência do compressor e fluxo de água em um sistema de ar; 5) taxas de transferência de calor em uma bomba de calor.

1. Termodinâmica
Capítulo 4
1. Uma mistura gasosa ideal com uma massa molecular de 48 kg/kmol entra num
sistema para perda de carga, a 3 bar, 157 ºC e 180 ms-1, através de uma abertura de área
20 cm2. Na saída, a pressão é 1.5 bar, a velocidade é 120 ms-1 e a área é 40 cm2.
Considerando estado estacionário, determine, na saída:
1.1 O fluxo mássico
1.2 A temperatura, em ºC
2. Um volume de controlo operando em estado estacionário tem uma entrada e
duas saídas, como mostra a figura. Utilizando os dados da figura, determine:
O fluxo mássico à entrada.
O fluxo mássico em 2.
A velocidade em 3.
3. Uma turbina isolada funcionando em regime estacionário está representada
na figura. Entra vapor de água a 30 bar, 400 ºC, com um fluxo volumétrico de 85 m3/min.
Algum vapor é extraído da turbina à pressão de 5 bar e à temperatura de 180 ºC. O
resto do vapor expande até à pressão de 0.06 bar e sai com um fluxo de 40000 kg/h e
com um título de vapor de 90%. Desprezando os efeitos nas energias cinética e
potencial, determine:

2. 3.1 O diâmetro da conduta através do qual o vapor sai com uma
velocidade de 20 m/s.
3.2 A potência produzida pela turbina.
4. Ar, considerado gás perfeito, escoa, em regime estacionário, através de um
compressor e de um permutador de calor, como mostra a figura. Pode-se desprezar
perdas de calor para o exterior, bem como efeitos nas energias cinética e potencial.
Calcule a potência do compressor e o fluxo mássico da água de arrefecimento.
5. Uma bomba de calor residencial funciona de acordo com o esquema da figura.
O fluxo do fluido refrigerante (R12) é 4.6 kg/min. Despreze os efeitos nas energias
cinética e potencial. Determine as taxas de transferência de energia por calor em:
5.1 Do refrigerante para o ar de retorno que passa pelo condensador.
5.2 Entre o compressor e o exterior.
5.3 Do ar exterior para o refrigerante através do evaporador.

3. Capítulo 5
1. Um ciclo reversível funciona entre um reservatório térmico à temperatura T
e um reservatório térmico frio à temperatura de 200 K. Em regime estacionário o ciclo
produz 40 kW de potência mecânica rejeitando 1000 kJ/min de energia sob a forma de
calor para o reservatório frio. Determine a temperatura T.
3. A figura mostra um sistema de colector solar utilizado para a produção de
electricidade, através de um ciclo de potência. O colector solar recebe radiação solar à
taxa de 0.315 kW/m2, fornecendo energia para uma unidade de acumulação de modo a
esta manter uma temperatura constante de 500 K. O ciclo de potência recebe energia
sob a forma de calor, vindo da unidade de acumulação e gerando uma potência eléctrica
de 1000 kW. O ciclo cede energia, na forma de calor, ao meio ambiente, que se encontra
a 20 ºC. Funcionando em regime estacionário, determine o mínimo valor teórico para a
área do colector, de modo a funcionar nas condições descritas.
3. Um refrigerador funcionando em regime estacionário, com um coeficiente de
perfommance de 2.5, remove energia, sob a forma de calor, de um compartimento
arrefecido a 0 ºC, com uma taxa de 8000 kJ/h e cede energia, sob a forma de calor ao
meio ambiente que se encontra a 20 ºC. Determine a potência mecânica recebida pelo
refrigerador e compare com a potência que seria necessário fornecer se o ciclo fosse
reversível, funcionando entre os mesmos dois reservatórios térmicos.
4. Uma massa de ar de 0.5 kg, considerada gás perfeito, executa um ciclo de
potência de Carnot com uma eficiência térmica de 50%. O calor transferido para o ar
durante a expansão isotérmica é de 40 kJ. No início da expansão térmica, a pressão é de
7 bar, o volume é de 0.12 m3. Determine:
4.1 As temperaturas máxima e mínima do ciclo, em K
4.2 O volume no fim da expansão isotérmica.
4.3 O trabalho e o calor transferidos para cada um dos quatro
processos
4.4 Desenhe o ciclo no diagrama p-v