Desenvolvimento

ETAPA 3

Aula-tema: Gases perfeitos

A utilização do modelo de gás perfeito é bastante útil nas análises termodinâmicas devido à sua simplicidade. Para realizá-la, é importante seguir os passos descritos

Em certas condições, o comportamento real da substância corresponde ao modelo ideal.

Vamos analisar apenas casos em que esse modelo é válido. Para realizá-la, devem ser seguidos os passos descritos.

Passo 1

Determinar a massa de propano contida no tanque, se um tanque apresenta volume interno de 1 m 3 de propano a 20°C de temperatura e pressão de 101kPa.

Dados

1m3= 1000L

1atm= 101,32Kpa

Densidade do propano (20°C, 1atm = 2,009 g/L.)

m=d.v=2.009g.l .1000L=m=2Kg

Passo 2

Uma esfera oca de metal, com diâmetro interno de 150 mm é pesada inicialmente vazia e pesada novamente quando carregada de um certo gás a 875 kPa. A diferença entre as leituras é de 0,0025kg. Admitindo que o gás é uma substancia pura e que o processo foi à temperatura constante de 25°C, determine qual é o gás contido na esfera. (dica: encontre a constante do gás).

Dados:

∅= 150mm= 0.15m R= 0.075m

P= 875 kPa

T= 25°C = 298 K

R= 8,3144 L / kPa K-1

Volume da esfera

4 . π.r3 3=v=1.76L

n=P.VR.T=875 kPa .1.76l8,3144 kPa K-1=n=0.621 moles

Passo 3

O conjunto cilindro-pistão, contém, inicialmente, 0,25 m 3 de dióxido de carbono (CO 2 ) a 300kPa e 100°C. Os pesos são, então, adicionados a uma velocidade tal que o gás é comprimido segundo a relação PV 1,42 = constante. Admitindo que a temperatura final seja igual a 125°C. Qual o volume final? Qual a titulação? Faça um diagrama de fase P-V e indique os pontos iniciais e finais nesse diagrama.

Passo 4

Um tanque rígido com volume de 1m 3 contém amônia a 100kPa e 300K e está conectado, através de uma tubulação com válvula, a outro tanque com volume de 0,5m 3 que contém amônia a 250 KPa e 400K. A válvula é aberta e espera-se até que a pressão se torne uniforme. Sabendo que a temperatura final de equilíbrio é de 325K, determine a pressão final do processo.

Resposta

Dados

Tanque A

V=1000L

P= 100 kPa

T= 300K

Tanque B

V=500L

P= 250 kPa

T= 400K

R: 8,314

Sabendo que a temperatura final de equilíbrio é de 325K, determine a pressão final do processo.

P.V=n.R.T

100 kPa .1000 L=n. 8.314 .300K= nA=1000008.314 .300

250 kPa .500 L=n. 8.314 .400K= nB=1250008.314 .400

n=nA+nB

P.V=n.R.T

P .1500L= 1000008,314 .300+ 1250008,314 .400

P=100000 .400+125000 .3001500.400.300 .T

P=40.106+ 37,5. 106180.106=P=140kPa

ETAPA 4

Aula-tema: Primeiro e segundo princípios da termodinâmica. A Termodinâmica tem como objetivo estudar o funcionamento de máquinas térmicas que a partir da expansão sofrida por um gás gere movimento, que possa ser aproveitado na realização de alguma tarefa. Para realizá-la, é importante seguir os passos descritos.

Um dos primeiros motores construídos com a finalidade de bombear água de uma mina de carvão foi desenvolvido por Thomas Newcomen em 1705 e usava, pela primeira vez, um conjunto cilindro-pistão. O vapor era produzido no aquecedor (a) e conduzido através da válvula manual (b) até o cilindro (c). O vapor iria empurrar o pistão até a posição mostrada, permitindo que a haste (d) descesse para dentro do reservatório de água (ou mina). A válvula (e) era então aberta para permitir um jato de água sobre o cilindro, capaz de condensar o vapor ali dentro, provocando o vácuo necessário. O pistão era então empurrado para baixo pela pressão atmosférica, levantando a haste e bombeando água para fora através da linha (f). A válvula (e) era fechada, a válvula (b) era aberta e o procedimento era repetido. A linha (g) era aberta intermitentemente para permitir que o vapor condensado pudesse ser retirado do cilindro.Em 1763, James Watt, notou a baixíssima eficiência da máquina de Newcomen e suspeitou que grande parte do vapor quente poderia ser resfriado, condensado e ter seu volume bastante reduzido ao entrar no cilindro resfriado. Ele introduziu diversas inovações à máquina de Newcomen, entre elas o uso de um condensador externo (a). Na sua máquina, o vapor era aquecido em um boiler e era conduzido pela tubulação (b). A válvula (c), controlada a partir da haste (d), permitia o vapor entrar na parte superior do pistão (e). Isso empurrava o pistão para baixo e, através da barra (f), levantava as hastes (g) e (h) da bomba.

Tal movimento retirava a água do reservatório (i) através da tubulação (j) e também do reservatório (k) para o reservatório (i). A válvula (l) era então movida para permitir o vapor entrar na base do pistão; assim equilibrado, o pistão movia-se para o topo, possibilitando um novo ciclo.

Passo 1 Monte um diagrama T- ν para explicar cada processo analisado da máquina de James Watt.

Passo 2

Utilizando o ciclo de Carnot, explique por que a máquina de James Watt tem um rendimento maior do que a máquina de Newcomen.

Resposta:

Utilizando o ciclo de Carnot uma máquina térmica tem o seu rendimento máximo operando em ciclos, diante de duas fontes térmicas. As máquinas térmicas que utilizam esse tipo de ciclo são consideradas máquinas térmicas ideais. Isso acontece porque seu rendimento é o maior dentre as demais máquinas por isso a maquina de James Watt tem um rendimento maior que a de Newcomen.

Passo 3

Máquinas térmicas também podem ser utilizadas para resfriar uma determinada região, um exemplo é um congelador doméstico que opera em uma sala onde a temperatura é de 40ºC

Para manter a temperatura interna com -10ºC é necessário uma taxa de transferência de 6kW. Qual a mínima potência necessária para operar o congelador?

Resposta:

Dados

-10°C = 263K

40°C= 313K

263 K313K=0,84K

0.846kw=P= 0,14KW

Um funcionário propôs que para resfriar a sala deixar a porta do congelador aberta. Ele está correto? Justifique sua resposta, baseando-se nas leis da termodinâmica.

Resposta

Não está correto por que conforme a segunda lei da termodinâmica, o calor flui espontaneamente de um corpo quente para um corpo frio, o inverso só acontece com a realização de trabalho.

Passo 4

O esquema a seguir mostra um ciclo termodinâmico, resolva os seguintes itens:

4.1 Indicar todas as propriedades termodinâmicas aplicáveis em cada ponto.

4.2 Montar um diagrama de fase, indicando onde se encontra cada ponto e suas transformações.

4.3 Encontrar qual o trabalho realizado e seu rendimento teórico e real.

4.4 Determinar se a máquina é viável, de acordo com a desigualdade de Classius.

Dados:

T 1 =400º C e P 1 =2,0 MPa ;

T 2 =250º C e P 2 =1,8 MPa ;

Titulo 80%, P 3 =15 kPa

T 4 =45ºC , P 4 =15 kPa

Trabalho na bomba= 4kJ/kg

Ao final dessa etapa, o grupo deverá apresentar relatório resumido ao professor da disciplina, contendo todos os passos dessa etapa em uma data previamente definida.

Conclusão

Concluímos nesse trabalho a importância de calcular e dimensionar processos térmicos, e que é importante calcular pressão, temperatura e volumes saturados do liquido e do vapor utilizando os conceitos de termodinâmica.