Dissertativa 4 - 2ª Fase - Física - IME 2021

Certa máquina térmica, operando em ciclo termodinâmico entre dois reservatórios com temperaturas de 600 K e 300 K, fornece a potência necessária para o acionamento de motores em uma fábrica, conforme apresentado na figura 1. Devido a aspectos ambientais, ela deverá ser retirada de atividade, mas o corpo técnico realizou um estudo inicial e concluiu que ela poderia ser reaproveitada com a introdução de um reservatório térmico intermediário de 400 K, conforme a figura 2. Dentro dessa proposição, o grupo propõe que se trabalhe com dois ciclos termodinâmicos em série, sendo que o ciclo superior deverá produzir uma potência de 40 HP, enquanto que o ciclo inferior disponibilizará uma potência menor não especificada. O setor financeiro argumentou que a conversão proposta só seria economicamente viável se a potência associada ao ciclo inferior for no mínimo 10% do ciclo original e se o consumo diário do novo combustível, que alimentará o motor térmico do ciclo superior, estiver limitado a 500 litros.

Dados:

• rendimento da máquina térmica no esquema original: 90% do máximo teoricamente admissível;
• taxa de transferência de calor do reservatório térmico para a máquina térmica no esquema original: 540 MJ/h;
• rendimentos das máquinas térmicas superior e inferior para a modificação proposta: 90% e 80% do máximo teoricamente admissível, respectivamente;
• tempo de operação diário das máquinas com a modificação proposta: 8 horas;
• massa específica e poder calorífico do novo combustível: 0,12 kg/L e 50MJ/kg;
• taxa de energia empregada para o acionamento da máquina térmica inferior: 60% da taxa rejeitada pela máquina térmica superior; e
• Considere 1 HP = 3/4 kW.

Observação:

• a taxa de calor recebida pela máquina térmica superior é proveniente da queima do novo combustível a ser empregado e o poder calorífico é definido como a quantidade de energia liberada no processo de combustão por unidade de massa.

Baseado em uma análise termodinâmica do problema e nos dados acima, verifique se as condições do setor financeiro são atendidas. Em sua análise, expresse todas as potências em HP.