Vapor superaquecido a 40 bar e 500^circ C flui com uma vazão mássica de 250 kg / min. através de uma turbina, onde se expande até 5,0 bar. A turbina desenvolve 1500 kW . Da turbina, o vapor flui para um aquecedor, onde é reaquecido à pressão constante até sua temperatura inicial. Despreze mudanças na energia cinética.
Defina sistema, diga se é aberto ou fechado (justifique) e apresente a equação de balanço de energia;

Passo 1

Beleza, bora lá. A questão é de Termodinâmica – especificamente balanço de energia em sistemas de escoamento estacionário (sistemas abertos). A gente tem vapor superaquecido a 40 bar e 500 °C chegando numa turbina, expandindo até 5 bar, gerando 1 500 kW, depois vai pra um reaquecedor (aquecimento a pressão constante até voltar aos 500 °C). Desprezamos variações de energia cinética e potencial. Para resolver, vamos precisar:
  • Entender o que é um sistema aberto (controle de volume),
  • Usar o balanço de energia para regime estacionário,
  • Saber que entalpia (h) encapsula energia interna + fluxo de trabalho de escoamento.

Passo 2

Definir o sistema:
O nosso “alvo” é o conjunto turbina + reaquecedor como um único volume de controle. Nele entram e saem massa (vapor) e energia (calor no reaquecedor, trabalho na turbina), mas o sistema em si não armazena energia (regime permanente).

Passo 3

Classificar sistema:
É um SISTEMA ABERTO, porque tem fluxo de massa atravessando a fronteira (vapor entra na turbina, sai e vai pro reaquecedor, e sai de lá de novo). Em sistema fechado a massa não se move, aqui claramente ela entra e sai.

Passo 4

Escrever o balanço de energia (primeira lei para escoamento estacionário, desprezando KE e PE):
dECVdt=0=dot Q - dot W + sumentradasdot m,h - sumsaídasdot m,h í
Como só temos um fluxo de massa entrando e saindo com a mesma vazão, fica:
0 = dot Qin - dot Wturb + dot m,(hin - hout)
Ou reorganizando pra ressaltar o trabalho da turbina:
boxeddot Wturb = dot Qin + dot m,(hin - hout)

Resposta

O sistema é o conjunto turbina + reaquecedor, é um SISTEMA ABERTO (mas trocando massa e energia em regime estacionário), e o balanço de energia em regime estacionário (desprezando KE/PE) é:
0 = dot Qin - dot Wturb + dot m,(hin - hout)
ou equivalentemente
dot Wturb = dot Qin + dot m,(hin - hout)

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