Máquinas térmicas, refrigeradores e 2 a lei da Termodinâmica

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1 Máquinas térmicas, refrigeradores e 2 a lei da Termodinâmica Processos irreversíveis. Máquinas térmicas. Ciclo de Carnot 2 a lei da Termodinâmica: enunciado de Kelvin-Planck. Refrigeradores. 2 a lei da Termodinâmica: enunciado de Clausius.

2 Processos irreversíveis Conversão de trabalho em calor Expansão livre Trocas de calor (T 1 T 2 )

3 Conversão de trabalho em calor Se o sistema tem a sua energia interna inalterada: Q = W

4 Conversão de calor em trabalho Se o sistema tem o seu estado final igual ao inicial (ou seja, ao final de um ciclo): W < Q

5 Máquinas térmicas reais Sistema operando em ciclo: Fonte quente U = 0 W = Q Q 2 1 Trabalho útil Eficiência térmica da máquina (ou rendimento térmico): Fonte fria η = W Q 1 = 1 Q Q 2 2

6 Ciclo de Carnot Trabalho seminal: Reflexões sobre a potência motriz do fogo (1824). Qual (e como obter) o rendimento máximo de uma máquina térmica? Máxima eficiência: processos unicamente reversíveis. Eficiência máxima depende apenas das temperaturas das fontes quente e fria. Nicolas Sadi Carnot ( )

7 Ciclo de Carnot Gás ideal: η = W Q 1 = 1 Q Q 2 2 Rendimento da máquina de Carnot ideal: T T Q = Q η = 1 T T 2

8 2 a Lei da Termodinâmica Enunciado de Kelvin-Planck Nenhum processo cujo único resultado seja a absorção de calor de um reservatório e a conversão integral desse calor em trabalho é possível. Máquinas térmicas reais: W < η < Q 2 1

9 Motores de combustão externa Motor de Stirling: Robert Stirling ( ) Heat and Thermodynamics, Zemansky

10 Motores de combustão externa Motor de Stirling:

11 Motores de combustão externa Motor de Stirling: Rendimento do motor de Stirling (ideal): η = T 1 C T H

12 Motores de combustão externa Máquina a vapor: Heat and Thermodynamics, Zemansky

13 Motores de combustão externa Máquina a vapor:

14 Motores de combustão interna Ciclo de Otto (ideal) Motor de quatro estágios (gasolina): Ciclo de Otto (real)

15 Motores de combustão interna Motor de quatro estágios (gasolina): Ciclo de Otto (ideal)

16 Motores de combustão interna Rendimento do ciclo de Otto (ideal) : T4 T1 1 η = 1 = 1 T T ( V / V ) γ Razão de compressão: r = V 1 /V 2

17 Motores de combustão interna Motor Diesel: Ciclo de Diesel (ideal) Rendimento do ciclo Diesel (ideal) : η = T1 T4 / T1 1 1 γ T T / T

18 Refrigeradores e bombas de calor Sistema operando em ciclo: Fonte quente U = 0 W = Q Q 2 1 Trabalho externo Coeficiente de performance do refrigerador: Fonte fria Q1 Q1 ω = = W Q Q 2 1

19 Transferência de calor de um corpo frio para um corpo quente Se o sistema tem o seu estado final igual ao inicial (ou seja, ao final de um ciclo): W = Q2 Q1 0

20 2 a Lei da Termodinâmica Enunciado de Clausius Nenhum processo cujo único resultado seja a transferência de calor de um corpo a uma temperatura inferior para outro a uma temperatura superior é possível. Refrigeradores reais: W = Q2 Q1 0

21 Refrigerador de Carnot Gás ideal: T T Q = Q Coeficiente de performance: Q ω = 1 = Q Q 2 1 T T

22 Refrigeradores comerciais Heat and Thermodynamics, Zemansky

23 Equivalência dos enunciados de Kelvin-Planck e Clausius Heat and Thermodynamics, Zemansky

24 Equivalência dos enunciados de Kelvin-Planck e Clausius Heat and Thermodynamics, Zemansky

25 Bibliografia e links sugeridos: Calor e Termodinâmica, M. W. Zemansky, 5a ed., Guanabara Dois, Rio de Janeiro, Termodinâmica, Teoria Cinética e Termodinâmica Estatística, F. W. Sears & G. L. Salinger. Guanabara Dois, Rio de Janeiro, A Física e o nosso mundo, Hans Christian von Baeyer, Elsevier, Reflexões sobre a contribuição de Carnot à primeira lei da Termodinâmica, C. K. Nascimento, J. P. Braga, J. D. Fabris. Química Nova 2004;27: