Lista1 - Termodinâmica para Engenharia Mecânica

Obs: Para resolução de alguns exercícios consulte as tabelas termodinâmicas

presentes no livros textos.

A compreensão dos conceitos termodinâmicos é altamente recomendável. A prova terá

uma questão discursiva a respeito desses conceitos. No final da lista de exercícios segue
uma lista de questões de conceitos termodinâmicos, além de outros exercícios retirados
do livro do Cengel.

Conceitos e definições

1) 2.26 (2.21) – Um cilindro de aço, que inicialmente está evacuado, é carregado com
7 kg de oxigênio e 5 kg de nitrogênio. Determine, nessa condição, o número de
kmoles contidos no cilindro.

Resp: 0,397 kmol

2) 2.24 – Um pistão de aço de 2,5 kg está submetido à aceleração “normal” da

gravidade (ao nível do mar e a 45o de latitude = 9,80665 m/s2), quando uma força
vertical ascendente de 25 N é aplicada. Determine a aceleração do pistão.

Resp: 0,193 m/s2

3) 2.39 – Um tanque apresenta duas partições separadas por uma membrana. A

partição A contém 1 kg de ar e apresenta volume igual a 0,5 m3. O volume da
partição B é 0,75 m3 e esta contém ar com massa específica igual a 0,8 kg/m3. A
membrana é rompida e o ar atinge um estado uniforme. Determine a massa
específica do ar no estado final do processo.

Resp: 1,28 kg/m3

4) 2.42 (2.47) – A área da seção transversal da válvula do cilindro mostrado na

figura abaixo é igual a 11 cm2. Determine a força necessária para abrir a válvula
sabendo que a pressão no cilindro é 735 kPa e que a pressão externa é 99 kPa.

Resp = 700 N
5) 2.51 (2.53) – O cilindro de aço mostrado na figura abaixo apresenta área da seção
transversal igual a 1,5 m2. Sabendo que a pressão na superfície livre da gasolina é
101 kPa, determine a pressão na superfície inferior da camada de água.

Resp: 113 kPa

6) 2.89 (2.83) – O diâmetro do pistão mostrado na figura abaixo é 100 mm e sua

massa é 5 kg. A mola é linear e não atua sobre o pistão enquanto este estiver
encostado na superfície inferior do cilindro. No estado mostrado na figura, o
volume da câmara é 0,4 L e a pressão é 400 kPa. Quando a válvula de alimentação
de ar é aberta, o pistão sobe 20 mm. Admitindo que a pressão atmosférica seja igual
a 100 kPa, calcule a pressão no ar nesta nova situação.

Resp: é com vocês!

 Propriedades de Substâncias Puras
7) 3.42 – Você quer que a água ferva a 105 oC num recipiente de 15 cm de diâmetro.
Qual deve ser a massa da tampa desse recipiente, considerando Patm = 101 kPa?

Resp: 35,7 kg

8) 3.54 – Um tanque de aço, com volume interno de 0,015 m3, contém 6 kg de propano
(líquido + vapor) a 20 oC. O tanque é então aquecido lentamente. Determine se o
nível do líquido (altura da interface líquido-vapor) irá subir até o topo do tanque
ou descer até o fundo. O que aconteceria com o nível do líquido se a massa contida
no tanque fosse 1 kg em vez de 6 kg?

Resp: subir, descer

9) 3.57 (3.60) Um reservatório rígido e estanque, com capacidade de 2 m3, contém

uma mistura de líquido e vapor de R-134a (fluido refrigerante utilizado em
refrigeração industrial) saturados a 10 oC. Se o refrigerante é aquecido, a fase
líquida desaparece quando a temperatura atinge 50 oC. Determine a pressão a 50
o
C e a massa inicial de líquido.

Resp: 1,318 MPa,; 93,295 kg

10) 3.60 (3.59) – um tanque, com volume de 400 m3, está sendo construído para
armazenar gás natural liquefeito (GNL). Admita, neste problema, que o GNL seja
constituído por metano puro. Se o tanque deve conter 90 % de líquido e 10 % de
vapor, em volume, a 100 kPa, (a) qual será a massa, em kg, de GNL contida no
tanque? (b) Qual será o título nesse estado?

Resp: (a) 152.225 kg, (b) 4,72×10-4

11) 3.66 – Um tanque com volume interno de 1 m3 contém um gás à temperatura e

pressão ambientes: 20 oC e 100 kPa. Qual é a massa contida no tanque se o gás é :

a) ar,
b) neônio ou
c) propano?

Resp: 1,189, 0,828, 1,809 kg

12) 3.81 – Uma bomba de vácuo é utilizada para evacuar uma câmara utilizada na
secagem de um material que está a 50 oC. Se a vazão volumétrica da bomba é 0,5
m3/s, a temperatura e a pressão na seção de alimentação da bomba são iguais a 50
 o
C e 0,1 kPa, determine a quantidade de vapor d’água removida da câmara num
período de 30 minutos.

Obs.: para uma corrente de gás ideal, 𝑃𝑉̇ = 𝑁̇𝑅𝑇, onde 𝑉̇ é a vazão volumétrica do gás
(m3/min) e 𝑁̇ é a vazão molar do gás (mol/min).

Resp: 0,603 kg

13) 3.92 – Determine o volume de 2 kg de etileno a 260 K e 2500 kPa, usando Z

obtido da Figura D.1 (Utilize as informações do Apêndice D do livro
Fundamentos de Termodinâmica, Van Wylen, Sonntag para resolver esta
questão).

Resp: é com vocês!

14) 3.104 – Um tanque de 0,1 m3 contém 8,35 kg de metano a 250 K. Determine a

pressão, (a) empregando o modelo de gás ideal, (b) a equação de estado de Van
der Waals (Utilize as informações do Apêndice D do livro Fundamentos de
Termodinâmica, Van Wylen, Sonntag para resolver esta questão) e a tabela de
propriedades do metano.

Resp: é com vocês!

15) 3-37E Um Arranjo pistão-cilindro com mola contém inicialmente 0,2 lbm de R-
134a como uma mistura de líquido e vapor, cuja a temperatura é de -30 oF e
com um título de 80%. A constante de mola é 37 lbf/pol e o diâmetro do pistão
é de 12 polegadas. O R-134-a é submetido a um processo que aumenta o seu
volume em 40%. Calcule a temperatura final e a entalpia do R-134ª.

Resp: 81,5 oF, 120 Btu/lbm

16) 3-55E – Vapor de água superaquecido a 180 psia e 500 oF e resfriado a volume
constante até que a temperatura caia para 250 oF. No estado Final, determine (a)
 a pressão, (b) o título e (c) a entalpia. Mostre também o processo em um
diagrama T-v que inclua as linhas de saturação

Resp: (a) 29,84 psia (b) 0,219, (c) 426,0 Btu/lbm

17) 3-81 - Um tanque rígido cujo o volume é desconhecido está dividido em duas
partes por uma partição. Um dos lados do tanque contém gás ideal, a 927 oC o
outro lado está evacuado e tem um volume que equivale a duas vezes o tamanho
da parte que contém o gás. A partição é então removida e o gás expande-se,
preenchendo todo o tanque. Calor é transferido ao gás até que a pressão seja
igual à pressão inicial. Determine a temperatura final do gás.

Resp: 3327 oC

18) 3-89 – Determine o volume específico do vapor refrigerante 134a a 0,9 MPa e
70 oC com base (a) na equação de estado do gás ideal, (b) no diagrama
generalizado de compressibilidade e (c) nos dados das tabelas. Determine
também o erro envolvido nos dois primeiros casos.

Resp: é com vocês!

Calor e trabalho

19) 4.30 – Um dispositivo cilindro-pistão contém 0,2 kg de vapor d’água saturado

a 400 kPa. O sistema é resfriado a pressão constante até que o volume ocupado
pela água se reduz à metade do original. Determine o trabalho realizado no
processo.

Resp: 18,5 kJ
 20) 4.38 (4.42) – O conjunto cilindro-pistão mostrado na
Figura ao lado contém 1 kg de água a 20 °C e 300 kPa. A
mola é linear, de modo que quando a água é aquecida, a
pressão na água atinge 3 MPa e o volume interno do
conjunto 0,1 m3. Determine a temperatura da água no
estado final do processo, bem como o trabalho realizado
pela água, e construa o diagrama P-v referente ao processo.

Resp: (a) 404 oC; 163,35 kJ

21) (4.36) Um conjunto cilindro-pistão sem atrito contém 5 kg de vapor

refrigerante R-134ª a 1000 kPa e 140 oC. O sistema é resfriado a pressão
constante, até que o refrigerante apresente título igual a 25% . Calcular o
trabalho realizado durante esse processo

Resp: -128,7 J

22) 4.54 – A pressão interna num balão é dada por P = C2V1/3, em que C2 = 100
kPa/m. O balão é enchido com ar de um volume inicial de 1 m3 até o volume
final de 3 m3. Determine a massa de ar contida no balão no estado final e o
trabalho realizado pelo ar no processo. Admita que a temperatura do ar seja
constante e igual a 25 °C.

Resp: (a) 5,06 kg; (b) 250 kJ

23) 4.66 – Um conjunto cilindro-pistão contém 1,5 kg de ar a 300 K e 150 kPa. O

ar é então aquecido em dois processos sucessivos: o primeiro ocorre a volume
constante e a temperatura é elevada até 1000 K, (estado 2), o segundo processo
ocorre a pressão constante até 1500 K (estado 3).(a) Determine o volume do ar
no estado final e o (b) trabalho realizado nos dois processos.

Resp: (a) 1,29 m3; (b) 215 kJ

24) -35 Um vaso rígido de 10 L inicialmente contém uma mistura de líquido e vapor de água a 100
título de 12,3 %. A mistura é então aquecida até que sua temperatura seja de 150 oC.

Calcule a transferência de calor necessária para este processo

Resp. 46,9 kJ

25) 6.12 – Ar a 35 °C e 105 kPa escoa numa tubulação retangular com dimensões iguais
a 100 mm e 150 mm. Sabendo que a vazão volumétrica é igual a 0,015 m3/s, calcule
a velocidade e a vazão mássica desse escoamento.

Resp: 1 m/s, 0,0178 kg/s

 26) 6.15 – Uma caldeira é alimentada com 5000 kg/h de água líquida a 5 MPa e 20 °C
e descarrega o vapor d’água a 450 °C e 4,5 MPa. Determine quais devem ser as áreas
das seções de escoamento de alimentação e descarga da caldeira de modo que as
velocidades dos escoamentos não excedam 20 m/s.

Resp: 0,69 cm2, 50 cm2

27) 4.72 (4,68) – Considere o conjunto cilindro-pistão mostrado na figura abaixo. O

conjunto contém 10 kg de água. Inicialmente, a água encontra-se em que a pressão
e 100 kPa e com título 50 %. A água é então aquecida até o volume do conjunto se
tornar igual ao triplo do volume inicial. A massa do pistão é tal que a pressão interna
necessária para desencosta-lo do esbarro é 200 kPa.

a) Determine a temperatura e o volume da água no estado final.

b) Determine o trabalho realizado pela água no processo.

Resp: 829 °C; 25,4 m3; 3,39 MJ

28) 4.99 – Um conjunto cilindro-pistão contém ar a 300 kPa e 300 K e o volume do

ar é 0,1 m3. O ar é aquecido até 600 K num processo que dura 30 s com
velocidade do pistão constante. Determine a potência fornecida ao pistão.

Resp: 1 kW
Primeira Lei da Termodinâmica para Sistema Fechado

29) 5.42 (5.37) – Um conjunto cilindro com pistão sem atrito contém 2 kg de vapor
superaquecido de refrigerante R-134a a 100 °C e 350 kPa. O conjunto é, então,
resfriado a pressão constante até que o refrigerante apresente título igual a 75%.
Calcule a transferência de calor nesse processo.

Resp. -275 kJ

30) 5.81 – Numa pia com 5 L de água a 70 °C são colocadas panelas de alumínio
com massa de 1 kg, 1 kg de talheres (aço) e 1 kg de copos de vidro, todos a 20
°C. Qual é a temperatura final, desprezando-se qualquer troca de calor e trabalho
com o ambiente.

Resp: – 65 °C

31) 5.150 – um conjunto cilindro-pistão opera à pressão constante de 700 kPa e

contém água. O volume ocupado pela água e o título são iguais a 0,1 m3 e 90
%, respectivamente. Um aquecedor é ligado e a água é aquecida com uma taxa
de transferência de calor igual a 2,5 kW. Qual é o tempo necessário para que
todo o líquido evapore?

Resp: 0,0012 kg/s

32) (4.51) Um amostra de ar é comprimida do estado inicial ( p = 125 kPa e T = 325

K) até o estado final onde a temperatura é igual a 500 K. Sabendo que a
compressão é politrópica, determine o expoente n relativo ao processo e ao
trabalho específico associado.

Resp: 1,969; -51,8 kJ/kg

Segue a abaixo os Exercícios altamente recomendáveis do Livro

Termodinâmica 7 ediçãoYunus A. Cengel Michel A. Boyle
Capítulo 1

Pág: 42

Exercícios: 1-67

Capítulo 2:

Pág. 98

Exercícios: 2-1C ; 2-2C ; 2-4C ; 2-12 ; 2-18 C ; 2-20 C ; 2-21 C

Pág 99

Exercícios: 2-32

Pág: 100

Exercícios: 2-40C ; 2-41 C2 ; 2-43E ; 2-44; 2-50

Pág 104

Exercícios: 2-89C ;

Capítulo 3

Obs: (1) Altamente recomendável fazer os exemplos desse capítulo;

Pág: 151
Exercícios: 3-1 C ; 3-2C ; 3-6C ; 3-8C

Pág: 152:
Exercícios:
3-14 C ; 3-15 C ; 3-17 C ; 3-18 C ; 3-19 C ; 3-20C, 3-27 C ; 3-28

Pág: 153

Exercícios: 3-22 ; 3-37 E ; 3-29

Pág. 154

Exercícios: 3-44 ; 3-49 ; 3-51

Pag: 156

Exercícios: 3-84C ; 3-85 C; 3-86C

Pag: 157

Exercícios: 3-87 ; 3- 90 ; 3-93 ; 3-96.

Capítulo 4

Obs: (1) Altamente recomendável fazer os exemplos desse capítulo;

Pag: 196

Exercícios: 4-1C ; 4-2 C ; 4-6 ; 4-8

Pag: 197

Exercícios: 4-23 ; 4-24 ; 4-25

Pag: 199

Exercícios: 4-35 ; 4-38 ;

Pág: 200

Exercícios: 4-42 ; 4-43

Pag: 201

Exercícios: 4-63 ; 4:64E ; 4-67 ;

Pag: 202

Exercícios: 4.70E ; 4:74