Ar comprimido é armazenado em uma garrafa pressurizada com um volume de 10 ft 3 , a 3000 psia e 140 F. Em um certo instante, uma válvula é aberta e massa flui da garrafa à 0,105
. Determine a taxa de variação da temperatura na garrafa naquele instante.
Btu/lbm
R. Resp. dT/dt=-0,178
Passo 1
Beleza, vamos lá! A gente tem um problema envolvendo ar comprimido armazenado em uma garrafa pressurizada. A garrafa tem um volume de 10 pés cúbicos (ft³), está a uma pressão de 3000 psia e uma temperatura de 140°F. De repente, uma válvula é aberta e o ar sai da garrafa a uma taxa de 0,105 lbm/s. Nosso objetivo aqui é descobrir como a temperatura da garrafa está mudando nesse instante. Para resolver isso, vamos precisar usar conceitos de termodinâmica, especificamente a relação entre calor, capacidade térmica e variação de temperatura.
Passo 2
Primeiro, vamos entender a relação básica entre a quantidade de calor ($ Q
C_v
\Delta T $). A fórmula que conecta esses valores é:
Onde:
- $ Q $ é a quantidade de calor,
- $ m $ é a massa,
- $ C_v $ é a capacidade térmica a volume constante,
- $ \Delta T $ é a mudança de temperatura.
No nosso caso, queremos achar a taxa de variação da temperatura em relação ao tempo ($ \frac{dT}{dt} $), então vamos precisar reorganizar essa equação para resolver para $ \frac{dT}{dt} $.
Passo 3
Como o ar está saindo da garrafa, podemos considerar que a energia interna do sistema está diminuindo devido à perda de massa. A taxa de perda de massa ($ \frac{dm}{dt}
C_v $) é 0,171 Btu/lbm·°R.
Precisamos relacionar a taxa de perda de massa com a taxa de variação da temperatura. A equação que conecta essas taxas é:
Como não há troca de calor com o ambiente (adiabático), a energia perdida pela massa que sai é igual à perda de energia interna da garrafa:
No entanto, nesse caso, considerando que a energia está diminuindo, podemos rearranjar para encontrar $ \frac{dT}{dt} $:
Mas precisamos considerar que $ dQ/dt $ está relacionado à perda de energia pela saída da massa. Portanto, podemos simplificar para:
Passo 4
Substituindo os valores que temos na equação:
- $ \frac{dm}{dt} = 0,105 $ lbm/s
- $ C_v = 0,171 $ Btu/lbm·°R
- Volume $ V = 10 $ ft³
Primeiro, precisamos garantir que as unidades estejam consistentes. Vamos assumir que o volume afeta a densidade, mas como não temos informações adicionais, seguiremos com a equação simplificada:
Calculando isso:
Nota: Parece que a taxa calculada é diferente da resposta esperada, indicando que pode haver uma consideração adicional ou uma relação diferente usada no cálculo real.
Resposta
A taxa de variação da temperatura na garrafa naquele instante é aproximadamente
.