Revisões e esclarecimento de dúvidas para o teste de avaliação de conhecimentos a realizar a 19 de Dezembro de 2014.

Máquinas frigoríficas. Constituição de uma máquina frigorífica e princípio de funcionamento.
Características de um fluído frigorigénio ideal. Ciclo de absorção e ciclo de compressão de vapor.
Sistemas de refrigeração e climatização. Ciclo de produção simultânea de calor e de frio. Produção de baixas temperaturas.

Central térmica de ciclo combinado gás-vapor de água. Trabalho e calor do ciclo a gás.
Trabalho e calor do ciclo a vapor. Rendimento do ciclo combinado. Ciclo de Carnot equivalente.
Balanço térmico do permutador. Balanço térmico de uma instalação. Resolução de exercícios.

Feriado Nacional

Resolução de exercícios sobre a turbina a gás com compressão e expansão multi-andares e com regeneração.
Centrais térmicas convencionais. Principais componentes de uma central termoeléctrica.

Princípio da compressão e expansão por andares.
Turbina a gás com compressão e expansão por andares, arrefecimento intermédio, reaquecimento e regeneração.
Balanço térmico da instalação. Recentes desenvolvimentos das turbinas a gás. Diagrama entalpia-entropia do ar.

Turbinas a gás, principais componentes, princípio de funcionamento, classificação e aplicações. Turbinas a gás em circuito aberto e em circuito fechado.
Ciclos da turbina a gás, hipóteses simplificativas, ciclo teórico e ciclo real. Turbina a gás com regenerador.
Resolução de exercícios sobre a turbina a gás de ciclo simples e com regenerador.

Trabalho, calor e rendimento térmico do ciclo misto ou de Sabathé. Resolução de exercícios. Principais diferenças entre motores a 4 tempos de ignição por faísca e inflamação por compressão. Comparação entre os motores a 4 tempos e os motores a 2 tempos. 
Ciclo indicado, comparação dos ciclos indicados de Otto e Diesel. Diferenças entre o ciclo de Otto real e teórico. Diferenças entre o ciclo Diesel real e teórico.
Diferenças entre os ciclos indicados de um motor Diesel rápido e de um motor Diesel lento.  Diagrama de pressões em função do deslocamento angular da cambota

Parâmetros geométricos. Relações entre os diversos parâmetros geométricos dos motores alternativos de combustão interna.
Ciclos de potência de gás. Ciclos ideais ou teóricos de Otto e ciclo Diesel.
Trabalho, calor e rendimento térmico do ciclo Otto e do ciclo Diesel.
Resolução de exercícios.

Classificações dos motores térmicos.
Princípio de funcionamento dos sistemas auxiliares: Sobrealimentação com turbo-compressor e Intercooler; Sistemas de alimentação de combustível; Sistema de distribuição; Sistemas de arrefecimento; Sistemas de lubrificação.

Introdução ao estudo dos motores térmicos.
Conceitos gerais. Princípios de funcionamento dos diferentes tipos de motores, componentes básicos dos motores alternativos de combustão interna.
Motores de ignição comandada e motores de inflamação por compressão.

Teste de Avaliação de Conhecimentos: Parte Teórica e Parte Prática

Ficha de trabalho nº 7

(Ciclos de Vapor)

 

 

1. Considere uma estação de vapor operando num ciclo ideal de Rankine.

O vapor entra na turbina a 3 MPa e a 350 ºC e é condensado no condensador a 75 kPa.

             a) Determine a eficiência térmica da estação.

              b) Desenhe o diagrama T-s, com as respetivas linhas de saturação para o processo descrito.

  

2. Considere uma estação de vapor a operar num ciclo de Rankine ideal. O vapor entra na turbina a 3 MPa e a 350 ºC e é condensado no condensador a uma pressão de 10 kPa.

Determine:

(a) a eficiência térmica desta estação

(b) a eficiência térmica de o vapor for sobreaquecido a 600 ºC em vez de 350 ºC

(c) a eficiência térmica de a pressão da caldeira for elevada para 15 MPa sendo a temperatura de entrada na turbina mantida nos 600 ºC.

d) Desenhe o diagrama T-s, com as respetivas linhas de saturação para o processo descrito.

 

3. Considere uma estação de vapor operando num ciclo de Rankine ideal com reaquecimento. O vapor entra na turbina de alta pressão a 15 MPa e 600 ºC e é condensado no condensador à pressão de 10 kPa. Se o teor de humidade da mistura à saída da turbina de baixa pressão não puder exceder os 10,4 % determine:

(a) a pressão a que o vapor deve ser reaquecido

(b) a eficiência térmica do ciclo.

Assuma que o vapor é reaquecido à temperatura de entrada da turbina de alta pressão.

c) Desenhe o diagrama T-s, com as respetivas linhas de saturação para o processo descrito.

4. Considere uma estação de vapor a operar num ciclo ideal de Rankine com regeneração em que o aquecimento se faz em sistema aberto. O vapor entra na turbina a 15 MPa e 600 ºC e é condensado no condensador à pressão de 10 kPa. Algum vapor sai da turbina à pressão de 1,2 MPa e entra no aquecedor de água.

Determine:

a) a fracção de vapor extraído da turbina;

b)  a eficiência térmica.

c) Desenhe o diagrama T-s, com as respetivas linhas de saturação para o processo descrito. 

5. Considere uma planta de cogeração. O vapor entra na turbina a 7 MPa e 500 ºC. Parte do vapor é extraído da turbina a 500 kPa para aquecimento do processo. O restante vapor continua o ciclo e expande até 5 kPa. O vapor é então condensado a pressão constante e bombado até à pressão da caldeira de 7 MPa. Em alturas de grande necessidade de calor de processo, parte do vapor que sai da caldeira é estrangulado e dirigido para o aquecimento do processo. A fracção extraída é calculada de modo a que o vapor saia do aquecimento do processo  como líquido saturado a 500 kPa, sendo posteriormente bombado até 7 MPa. O fluxo de vapor que passa pela caldeira é de 15 kg/s. Desprezando as perdas de pressão e de calor que possam ocorrer no processo e assumindo que a turbina e a bomba são isentrópicas, determine:

(a) a taxa máxima a que o calor de processo pode ser fornecido

(b) a potência gerada e o factor de utilização quando não é produzido nenhum calor de processo

 

(c) a taxa de calor de processo fornecido quando 10 % do vapor é extraído antes de entrara na turbina e 70 % do vapor é extraído da turbina a 500 kPa para calor de processo.

d) Desenhe o diagrama T-s, com as respetivas linhas de saturação para o processo descrito.

CICLOS DE VAPOR E DE PRODUÇÃO DE POTÊNCIA

O ciclo de vapor de Carnot

Ciclo de Rankine – o ciclo ideal para estações de produção de potência

Desvio dos ciclos de vapor reais aos ciclos ideais

Como aumentar a eficiência de um ciclo de Rankine

Ciclo de Rankine ideal com sobreaquecimento

Ciclo de Rankine ideal com regeneração (sistemas abertos)

Cogeração

 

Ficha de Trabalho Nº6

1. Um motor térmico recebe 600 kJ de calor de uma fonte a alta temperatura 1000 K durante um ciclo. O motor converte 150 kJ deste calor em trabalho líquido e rejeita os restantes 450 kJ para um reservatório de baixa temperatura a 300 K.

Determine se este equipamento viola a segunda lei da termodinâmica com base:

(a) Inequação de Clausius

(b) Princípio de Carnot.

 

2. Um pistão cilíndrico contém uma mistura saturada de água-vapor a 100 ºC. Durante um processo a pressão constante, 600 kJ de calor são transferidos para os arredores que se encontram a 25 ºC. Como resultado, parte do vapor de água condensa.

Determine:

(a)A variação da entropia da água

(b) A variação da entropia dos arredores

(c) Se o processo é reversível, irreversível ou impossível.

 

3. Uma fonte de energia térmica a 800 K perde 2000 kJ de calor para um recetor a (a) 500 K e (b) 750 K.

Determine qual dos processos é mais irreversível.

 

4. Desenhe o ciclo de Carnot num diagrama T-S e indique as áreas que representam o calor adicionado QH, o calor rejeitado QL e o trabalho líquido produzido WLiq.

 

5. Um tanque rígido contém 5 kg de refrigerante-12 inicialmente a 20 ºC e a 140 kPa. O refrigerante é agora arrefecido por uma pá até a pressão baixar para 100 kPa.

Determine a variação de entropia do refrigerante durante este processo.

 

6. Vapor de água a 7 MPa e a 450 ºC é estrangulado numa válvula até à pressão de 3 MPa durante um processo de fluxo estacionário.

Determine a entropia gerada para este processo e verifique se o princípio de aumento de entropia é satisfeito.

 

7. Vapor entra numa turbina adiabática a 5 MPa e 450 ºC e sai a uma pressão de 1,4 MPa.

Determine o trabalho útil produzido pela turbina por unidade de massa de vapor que passa na turbina considerando o processo reversível e desprezando as variações da energia cinética e potencial.

 

8. Ar é comprimido adiabaticamente num pistão cilíndrico partindo de 22ºC e 95 kPa de uma forma reversível. Se a taxa de compressão V1/V2 de pistão cilíndrico for 8.

 Determine a temperatura final do ar.

 

9. Vapor entra numa turbina adiabática a 3 MPa e 400 ºC saindo a 50 kPa e 100 ºC. Se a potência gerada pela turbina for de 2 MW e desprezando a variação na energia cinética e potencial, determine:

(a) A eficiência adiabática da turbina

(b) O fluxo de massa que passa na turbina.

 

10. Ar é comprimido num compressor adiabático de 100 kPa e 12 ºC até à pressão de 800 kPa a um fluxo constante de 0,2 kg/s.

Se a eficiência adiabática do compressor for de 80 %, determine:

(a) A temperatura de saída do ar

(b) A potência necessária para fazer operar o compressor.

 

11. Ar a 200 kPa e 950 K entra numa tubeira adiabática a baixa velocidade e sai a uma pressão de 80 kPa.

Se a eficiência adiabática da tubeira é de 92 %, determine:

(a) A velocidade máxima de saída

(b) A temperatura de saída

(c) A velocidade real de saída do ar.

 

Assuma específicos constantes para o ar.

A Inequação de Clausius

Entropia

O princípio do aumento da entropia

Causas de variação de entropia

Diagrama de propriedades envolvendo entropia

A relação Tds

A variação de entropia dos gases ideais

A variação de entropia dos sólidos e líquidos

Eficiência adiabática de alguns equipamentos, trabalhando em regime estacionário

 

 

 

(Segunda Lei da Termodinâmica)

 

1. Calor é transferido de uma fornalha para um motor térmico à taxa de 80 MW. Se a taxa de rejeição de calor for de aproximadamente de 50 MW determine:

            a) A potência líquida produzida

            b) A eficiência térmica do motor

2. O compartimento dos alimentos de um frigorífico é mantido a 4 ºC através da remoção de calor a uma taxa de 360 kJ/min. Se a potência necessária para fazer funcionar o frigorífico for de 2 KW, determine:

            a) O COP do frigorífico

            b) A taxa de descarga de calor para a cozinha 

3. Uma bomba de calor é utilizada para manter uma casa à temperatura de 20 ºC. Num dia em que a temperatura exterior desça para 2 ºC, estima-se que a casa perca calor à taxa de 80.000 kJ/h. Se a bomba de calor nestas condições tiver um COP de 2,5, determine:

            a) A potência consumida pela bomba de calor

            b) A taxa a que o calor é transferido do exterior para o interior da casa

 

4. Um motor térmico de Carnot recebe 500 kJ de calor por ciclo de uma fonte quente a 652 ºC, rejeitando o calor para um receptor a 30 ºC.

            Determine:

            a) A eficiência térmica do motor de Carnot

            b) A quantidade de calor rejeitado por ciclo para o receptor

5. Um inventor afirma que inventou um frigorífico que mantém o espaço refrigerado a 35 ºF numa sala a 75 ºF e que o seu COP é de 13,5.

            Será possível? Justifique.

6. Uma bomba de calor é usada no Inverno para aquecer uma casa. Pretende-se que a casa seja mantida a uma temperatura constante de 21 ºC. Estima-se que a casa perca calor para o exterior, a uma taxa de 135.000 kJ/h, quando a temperatura exterior atinge os -5ºC.

 

            Determine a potência mínima que esta bomba de calor deve possuir.

Introdução à segundalLei da termodinâmica

Reservatórios de energia térmica 

Motores térmicos

Eficiência térmica

A 2ª lei da Termodinâmica - Enunciado de Kelvin-Planck: Frigiríficos e bombas de calor.

Coeficiente de performance

 

Bombas de calor

A 2ª lei da Termodinâmica - Enunciado de Clausius

Máquinas com movimento perpétuo

Processos reversíveis e irreversíveis

Irreversibilidades

Ciclo de Carnot

Ciclo de Carnot Invertido

Princípios de Carnot

Escala de Temperatura Termodinâmica

O motor térmico de Carnot

A Qualidade da energia

Quantidade versus Qualidade na vida quotidiana

 

Ciclo de refrigeração de Carnot e bombas de calor

Continuação da resolução da Ficha Nº4

Análise termodinâmica de processos de "Volume de controlo"

Processos de fluxo estacionário

Alguns equipamentos em engenharia que operam em fluxo estacionário: 

• Tubeiras e Difusores;
• Turbinas e Compressores;
• Válvulas de estrangulamento;
• Câmaras de Mistura;
• Permutadores de Calor;
• Tubagens e Condutas de fluxo.

(CONTINUAÇÃO)

 

Ficha de Trabalho nº 4

(Primeira Lei da Termodinâmica - Sistemas abertos)

1. Ar a 10 ºC e a 80 kPa entra num difusor de fluxo estacionário de um aparelho a jacto com uma velocidade de 200 m/s. A área de entrada do difusor é de 0,4 m2. O ar sai do difusor a uma velocidade bastante inferior quando comparada com a velocidade de entrada.

Determine:

(a) o fluxo de massa de ar

(b) a temperatura do ar que sai do difusor.

2. Ar a 100 KPa e a 280 K é comprimido (fluxo estacionário) até 600 kPa e 400 K. O fluxo de massa de ar é de 0,02 kg/s, ocorrendo uma perda de calor de 16 kJ/kg durante o processo.

Assumindo que as variações da energia cinética e potencial podem ser desprezadas, determine a potência que o compressor deve possuir.

3. Refrigerante-12 entra num tubo capilar de um frigorífico como líquido saturado a 0,8 MPa onde a sua pressão é reduzida até 0,12 MPa.

Determine a qualidade do refrigerante após a passagem na válvula, bem como a sua temperatura final.

4. Considere um chuveiro vulgar onde a água quente a 60 ºC é misturada com água fria a 10 ºC. Se desejarmos obter um fluxo estacionário de água morna à temperatura de 45 ºC, determine as proporções de água quente e fria que se devem misturar.

Despreze as perdas de calor que ocorrem durante o processo e que a mistura ocorre a 140 kPa.

5. O Refrigerante R12 é arrefecido pela água num condensador. O Refrigerante-R12 entra no condensador com um fluxo mássico de 6 kg/min a 1MPa e a 70 ºC saindo a 35 ºC como líquido comprimido. A água de arrefecimento entra a 300 kPa e a 15 ºC saindo a 25 ºC.

Desprezando qualquer perda de pressão, determine:

(a) o fluxo mássico de água necessário

(b) a taxa de transferência de calor do Refrigerante-12 para a água.

6. O sistema de aquecimento eléctrico utilizado em muitas casas consiste somente num tubo com resistências eléctricas. O ar aquece à medida que passa por cima das resistências.

Considere um sistema de aquecimento eléctrico de 15 kW. O ar passa, inicialmente, a 100 kPa, a 17ºC e com um fluxo de 150m3/min.

Se o ar que passa no tubo perder calor para os arredores a uma taxa de 200 W, determine a temperatura de saída do ar.

Análise termodinâmica de processos de "Volume de controlo"

Processos de fluxo estacionário

Alguns equipamentos em engenharia que operam em fluxo estacionário: 

• Tubeiras e Difusores;
• Turbinas e Compressores;
• Válvulas de estrangulamento;
• Câmaras de Mistura;
• Permutadores de Calor;
• Tubagens e Condutas de fluxo.

Ficha de trabalho nº 3

(Primeira Lei da Termodinâmica – Sistemas fechados)

1. Um tanque rígido contém um fluido quente que será arrefecido por acção de uma “ventoinha”. Inicialmente a energia interna do fluido é de 800 kJ. Durante o processo de arrefecimento o fluido perde 500 kJ de calor, e a ventoinha realiza 100 kJ de trabalho no fluído.

a) Determine a energia interna final do fluido. Despreze a energia acumulada na “ventoinha”.

2. Um pistão cilíndrico contém 25 g de vapor saturado o qual é mantido a uma pressão constante de 300 kPa. Uma resistência de aquecimento é ligada dentro do cilindro fazendo passar uma corrente de 0,2 A durante 5 minutos utilizando uma fonte de 120 V. Simultaneamente ocorre uma perda de calor de 3,7 kJ.

a) Mostre que para um sistema fechado o trabalho de fronteira e a variação da energia interna U no que respeita à primeira lei da termodinâmica podem ser combinados num único termo, H, para processos a pressão constante.

b) Determine a temperatura final do sistema.

3. Um tanque rígido encontra-se dividido em duas partes iguais por uma divisória. Inicialmente, um dos lados do tanque contém 5 kg de água a 200 kPa e a 25 ºC, estando o outro lado vazio. A divisória é retirada e a água expande-se por todo o tanque. A água troca calor com os arredores até a temperatura no tanque voltar aos 25 ºC iniciais. Determine:

a) O volume do tanque

b) A pressão final

c) A transferência de calor ocorrida durante este processo.

4. Ar a 300 K e 200 kPa é aquecido a pressão constante até atingir 600 K.

Determine a variação da energia interna do por unidade de massa, usando:

a) Os valores experimentais do calor específico (Tabela A-2c)

b) Os calores específicos médios (Tabela A-2b).

5. Um pistão cilíndrico contém inicialmente 0,5 m3 de azoto gasoso a 400 kPa e a 27 ºC. Um aquecedor eléctrico é ligado permitindo passar uma corrente eléctrica de 2A durante 5 minutos de uma fonte de 120 V. O azoto expande a pressão constante, ocorrendo uma perda de calor no processo de 2800 J.

Determine a temperatura final do azoto.

6. Um pistão cilíndrico contém, inicialmente, ar a 150 kPa e 27 ºC. Neste estado, o pistão encontra-se em repouso sobre dois travões, sendo o seu volume de 400 litros. A massa do pistão é tal que são necessários 350 kPa de pressão para movê-lo. O ar é então aquecido até o volume duplicar. Determine:

a) A temperatura final

b) O trabalho realizado no ar

c) O total de calor adicionado

Introdução à 1ª Lei da Termodinâmica.

Transferência de Calor.

Trabalho. 

Formas Mecânicas do Trabalho.

A Primeira Lei da Termodinâmica.

Calores Específicos.

Energia Interna, Entalpia e calores específicos de gases ideais.

Energia Interna, Entalpia e calores específicos de  sólidos e líquidos.

Resolução da Ficha de Trabalho n.º2 – Propriedades das substâncias puras

PROPRIEDADES DAS SUBSTÂNCIAS PURAS.

Substância pura.

Fases de uma substância pura.

Processos de mudanças de fase de substâncias puras.

Diagrama de Propriedades.

A superfície P-v-T.

Tabelas de propriedades.

A A equação de estado de gás ideal.

Outras equações de estado.

Sumário: Cada ciência tem um vocabulário próprio e a Termodinâmica não é exceção. Definições precisas dos conceitos básicos no desenvolvimento da Ciência evitam mal entendidos. Neste capítulo, revêem-se os sistemas de unidades e são explicados os conceitos básicos da Termodinâmica tais como sistema, energia, propriedade, estado, processo, ciclo, pressão e temperatura. O estudo cuidadoso destes conceitos é essencial para uma boa compreensão dos tópicos dos capítulos seguintes.

• Dados históricos
• Termodinâmica e energia
• Áreas de aplicação da Termodinâmica
• Dimensões e unidades
• Sistemas fechados e abertos
• Propriedades de um Sistema
• Resumo

Resolução da Ficha de Trabalho Nº1.

 

Apresentação da Unidade Curricular, dos docentes responsáveis e do funcionamento da mesma.

Definição dos objectivos a atingir e apresentação do programa detalhado da unidade curricular, da bibliografia a consultar e qual o processo de avaliação de conhecimentos ao longo do semestre.