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1 4/0/0 Uniersidade Federal do ABC BC309 ermodinâmia Aliada Profa.. Dra. Ana Maria Pereira Neto Entroia BC309_Ana Maria Pereira Neto

2 4/0/0 Entroia Desigualdade de Clausius; Definição de Entroia; Priníio de Geração de Entroia; Balanço de Entroia; Entroia de Substânias Puras e Gases Ideais; Proessos Isoentróios; Efiiênias Isoentróias de Equiamentos. BC309_Ana Maria Pereira Neto Desigualdade de Clausius BC309_Ana Maria Pereira Neto

3 4/0/0 Desigualdade de Clausius A desigualdade de Clausius foi enuniado elo físio alemão Rudolf Clausius em 865. É um outro orolário da ª Lei da ermodinâmia e fornee a base ara a definição da roriedade termodinâmia ENROPIA. SC 0 A desigualdade de Clausius mostra que a integral ília da razão entre o diferenial de alor e a temeratura de fronteira do sistema é semre menor ou igual a zero. A integral ília reresenta a somatória de todas as troas de alor ao longo do ilo termodinâmio em ada onto da fronteira do sistema e, onseqüentemente, em relação às temeraturas de fronteira. BC309_Ana Maria Pereira Neto Desigualdade de Clausius Reseratório érmio R Sistema Combinado (sistema e disositio) R Disositio Cílio Reersíel δw re δw C R - de C Sistema δw sist BC309_Ana Maria Pereira Neto 3

4 4/0/0 Desigualdade de Clausius Considerando o disositio ílio reersíel: R R Substituindo na equação do balanço de energia do sistema ombinado: δw C R de C BC309_Ana Maria Pereira Neto Desigualdade de Clausius Enquanto o disositio ílio omleta um número de ilos, a relação anterior torna-se: WC R A integral da energia ao longo do ilo é nula. W C é a integral ília de δw C e reresenta o trabalho líquido do ilo ombinado. O sistema ombinado está troando alor om um únio reseratório de energia térmia enquanto enole (onsome ou realiza) trabalho W C durante um ilo. BC309_Ana Maria Pereira Neto 4

5 4/0/0 Desigualdade de Clausius Enuniado de Kelin-Plan ara a ª lei da ermodinâmia: nenhum sistema ode roduzir uma quantidade líquida de trabalho enquanto oera em um ilo e troa alor om um únio reseratório de energia térmia. Deduz-se que W C não ode ser um trabalho realizado elo sistema ombinado e, ortanto, não ode ser uma quantidade ositia! BC309_Ana Maria Pereira Neto Desigualdade de Clausius Desigualdade de Clausius: 0 Esta desigualdade é álida ara todos os ilos termodinâmios, reersíeis e irreersíeis, inluindo os ilos de refrigeração. BC309_Ana Maria Pereira Neto 5

6 4/0/0 Desigualdade de Clausius Se não oorrem irreersibilidades no interior do sistema e no disositio ílio reersíel, então o ilo elo qual o sistema ombinado assou é internamente reersíel, odendo ser reertido. No aso do ilo reerso, todas as quantidades tem a mesma magnitude, mas om sinal oosto. Assim, o trabalho W C que não oderia ser uma quantidade ositia no aso normal, não ode ser uma quantidade negatia no aso reerso; ortanto: 0 BC309_Ana Maria Pereira Neto Desigualdade de Clausius A igualdade na desigualdade de Clausius ale ara os ilos totalmente ou aenas internamente reersíeis,, assim omo a desigualdade ale ara os ilos irreersíeis. BC309_Ana Maria Pereira Neto 6

7 4/0/0 Definição de Entroia BC309_Ana Maria Pereira Neto Definição de Entroia C B A BC309_Ana Maria Pereira Neto 7

8 4/0/0 Definição de Entroia Partindo de : re 0 Considerando os roessos A e B searadamente: A B + Considerando os roessos A e C searadamente: A C () () BC309_Ana Maria Pereira Neto Definição de Entroia Subtraindo () de (): Simlifiando: A B A C + B C 0 A quantidade é a mesma ara qualquer roesso! BC309_Ana Maria Pereira Neto 8

9 4/0/0 Definição de Entroia Assim, ode-se definir uma noa roriedade termodinâmia, a ENROPIA. S S re S: entroia total [J/K] s: entroia eseífia [J/g.K] BC309_Ana Maria Pereira Neto Definição de Entroia S S S S 0,4 J/K Proesso Irreersíel Proesso Reersíel A ariação de entroia entre dois estados eseifiados é a mesma, seja o roesso reersíel ou irreersíel. 0,3 0,7 BC309_Ana Maria Pereira Neto 9

10 4/0/0 Priníio da Geração de Entroia BC309_Ana Maria Pereira Neto Priníio de Geração de Entroia Irreersibilidades omo atrito, mistura, reações químias, transferênia de alor om uma diferença de temeratura finita, exansão não-resistida, omressão ou exansão em não equilíbrio semre fazem aumentar a entroia de um sistema e a geração de entroia é uma medida da entroia riada or tais efeitos durante um roesso. BC309_Ana Maria Pereira Neto 0

11 4/0/0 Priníio de Geração de Entroia R I I: roesso irreersíel ou reersíel R: roesso reersíel BC309_Ana Maria Pereira Neto Priníio de Geração de Entroia Partindo da equação da desigualdade de Clausius, temos: 0 Aliando-a ara o ilo temos: + re 0 Proesso reersíel ou irreersíel Proesso internamente reersíel BC309_Ana Maria Pereira Neto

12 4/0/0 Priníio de Geração de Entroia Para um roesso internamente reersíel temos: Substituindo temos: S S δ Q S S + 0 ou δ Q S S Na forma diferenial temos: ds BC309_Ana Maria Pereira Neto Priníio de Geração de Entroia Esreendo a equação omo igualdade, define-se o termo S ger (entroia gerada durante o roesso), assim : ds + S ger ou S S S + Sger Para satisfazer a desigualdade de Clausius, a geração de entroia não ode ser negatia; logo: S ger > 0 (roesso irreersíel) 0 (roesso reersíel) < 0 (roesso imossíel) BC309_Ana Maria Pereira Neto

13 4/0/0 Priníio de Geração de Entroia Algumas obserações sobre a geração de entroia: Proessos odem oorrer em determinada direção e não em qualquer direção. Um roesso dee oorrer na direção omatíel om o riníio de aumento da entroia, ou seja S ger 0. Proessos que iolem esse riníio são ditos imossíeis. A entroia é uma roriedade que não se onsera, e não existe um riníio de onseração de entroia. A entroia é onserada somente em roessos reersíeis idealizados e semre aumenta nos roessos reais. A geração de entroia é uma medida da magnitude das irreersibilidades resentes durante um roesso. BC309_Ana Maria Pereira Neto Balanço de Entroia BC309_Ana Maria Pereira Neto 3

14 4/0/0 Balanço de Entroia ª Lei da ermodinâmia: A entroia ode ser riada, mas não ode ser destruída! Priníio do Aumento da Entroia: a ariação de entroia de um sistema durante um roesso é igual à transferênia líquida de entroia atraés da fronteira do sistema mais a entroia gerada dentro do sistema. BC309_Ana Maria Pereira Neto Balanço de Entroia Entrada total de entroia - Saída total de entroia Variação da entroia total + Entroia total gerada BC309_Ana Maria Pereira Neto 4

15 4/0/0 Meanismos de ransferênia de Entroia BC309_Ana Maria Pereira Neto ransferênia de Entroia A transferênia de entroia ode oorrer atraés de duas formas: ransferênia de alor: ransferênia de entroia resultante da transferênia de alor! S alor Q Sistema Volume de Controle Fluxo de massa: S massa ms Massa ontém entroia e energia! Volume de Controle BC309_Ana Maria Pereira Neto 5

16 4/0/0 ransferênia de Entroia rabalho (energia organizada) é lire de entroia e não há transferênia de entroia elo trabalho! ransferênia de alor é uma interação de energia aomanhada ela transferênia de entroia trabalho é uma interação de energia não aomanhada ela transferênia de entroia. Portanto, nenhuma entroia é troada entre um sistema e sua izinhança durante uma interação de trabalho. e BC309_Ana Maria Pereira Neto ransferênia de Entroia A quantidade de energia é semre reserada durante um roesso real (ª Lei da ermodinâmia), mas a qualidade dee diminuir (ª Lei da ermodinâmia). BC309_Ana Maria Pereira Neto 6

17 4/0/0 3ª Lei da ermodinâmia BC309_Ana Maria Pereira Neto 3ª Lei da ermodinâmia A entroia de uma substânia ristalina ura à temeratura zero absoluto é zero, uma ez que não há inerteza sobre o estado das moléulas (entroia absoluta). BC309_Ana Maria Pereira Neto 7

18 4/0/0 Balanço de Entroia Para um sistema temos: Q + S ger S sistema Para um olume de ontrole: Q + mese m s s s + S ger S VC Ou esrita na forma temoral: Q& + m& ese m& s + S& s s ger ds dt BC309_Ana Maria Pereira Neto Entroia de Substânias Puras A determinação da entroia segue o mesmo adrão de outras roriedades termodinâmias ara uma substânia ura. Para uma mistura saturada: ( x) s l xs s + BC309_Ana Maria Pereira Neto 8

19 4/0/0 Outras Exressões ara Entroia Da rimeira lei da termodinâmia: δw du Considerando: δw d ds Assim: ds d du du d ds + BC309_Ana Maria Pereira Neto Outras Exressões ara Entroia Desde que: Deriando: h u + Substituindo em : dh du + d + d ds d dh ds d + d + d dh ds + d du dh ds + d ds dh d BC309_Ana Maria Pereira Neto 9

20 4/0/0 Entroia ara Gases Ideais Partindo de: du d ds + Para um gás ideal, temos que: du d e P R Assim: d d d d ds + R, ou seja, s s + R BC309_Ana Maria Pereira Neto Entroia ara Gases Ideais Partindo de: Para um gás ideal, temos que: Assim: ds dh dp P dh d dp d dp ds P R, ou seja, s s P P R P P d BC309_Ana Maria Pereira Neto 0

21 4/0/0 Proessos Isoentróios BC309_Ana Maria Pereira Neto Proessos Isoentróios Há ários roessos em engenharia que odem ser onsiderados isoentróios (adiabátios e reersíeis). Há árias formas de se alular o estado de saída a artir das ondições de entrada e das araterístias do equiamento, omo eremos a seguir: Uso de diagramas ( x s ou h x s); Uso de tabelas (em forma gráfia ou atraés de software); Uso do modelo de gás ideal. BC309_Ana Maria Pereira Neto

22 4/0/0 Proessos Isoentróios Proessos Isoentróios- Gás Ideal Gás Ideal BC309_Ana Maria Pereira Neto BC309_Ana Maria Pereira Neto BC309_Ana Maria Pereira Neto BC309_Ana Maria Pereira Neto Partindo-se da exressão: + d R d s s Considerando que o seja onstante e ara um roesso isentróio, onde S S 0. Para gases ideais também é ossíel onsiderar: R e Proessos Isoentróios Proessos Isoentróios- Gás Ideal Gás Ideal BC309_Ana Maria Pereira Neto BC309_Ana Maria Pereira Neto BC309_Ana Maria Pereira Neto BC309_Ana Maria Pereira Neto R ln ln 0 + R ln ln R ln ln R Rearranjando temos:

23 4/0/0 3 Proessos Isoentróios Proessos Isoentróios- Gás Ideal Gás Ideal BC309_Ana Maria Pereira Neto BC309_Ana Maria Pereira Neto BC309_Ana Maria Pereira Neto BC309_Ana Maria Pereira Neto Da exressão: d R d s s R ln ln R ln ln R Rearranjando temos: Proessos Isoentróios Proessos Isoentróios- Gás Ideal Gás Ideal BC309_Ana Maria Pereira Neto BC309_Ana Maria Pereira Neto BC309_Ana Maria Pereira Neto BC309_Ana Maria Pereira Neto Igualando-se as duas exressões, obtemos a relação já onheida ara o roesso adiabátio em gases ideais: e C

24 4/0/0 Efiiênia Isoentróia BC309_Ana Maria Pereira Neto Efiiênia Isoentróia Efiiênia isoentróia é a medida do desio (deido às irreersibilidades) entre os roessos reais e os roessos idealizados orresondentes de disositios sob ondições de esoamento em regime ermanente e adiabátio (roesso isoentróio). Enole uma omaração entre o desemenho real de um equiamento e o desemenho que seria atingido em irunstânias idealizadas ara o mesmo estado iniial e a mesma ressão de saída: urbina: razão entre o trabalho eseífio real e o isoentróio. Comressores e Bombas: razão entre o trabalho isoentróio e o real. Boal: razão entre a energia inétia real e a isoentróia. BC309_Ana Maria Pereira Neto 4

25 4/0/0 Efiiênia Isoentróia - urbina W h h S W h S ( ) ( ) h S P P W W s s s η W W s h h h h s s s BC309_Ana Maria Pereira Neto Efiiênia Isoentróia Comressores e Bombas: Boais: Ws h η W h s V η V s h h s BC309_Ana Maria Pereira Neto 5

26 4/0/0 Exeríios BC309_Ana Maria Pereira Neto Exeríios ) Oxigênio é aqueido de 300 a 500 K. Admita que, durante o roesso de aqueimento, a ressão é reduzida de 00 a 50 Pa. Determine a ariação de entroia eseífia durante este roesso. (,558 J/g.K) ) Um onjunto ilindro-istão ontém um quilograma de ar. Iniialmente, a ressão e a temeratura são iguais a 400 Pa e 600 K. O ar é então exandido até a ressão de 50 Pa num roesso adiabátio e reersíel. Determine o trabalho realizado elo ar. (05, J) 3) Nitrogênio é omrimido reersielmente, num onjunto ilindro-istão, de 00 Pa e 0ºC até 500 Pa. Durante o roesso de omressão, a relação entre a ressão e o olume é V,3 onstante. Calule o trabalho neessário e o alor transferido, or quilograma de nitrogênio. (-5,9 J/g; -3,6 J/g) 4) Vaor de água entra numa turbina a 300ºC, ressão de MPa e om eloidade de 50 m/s. O aor sai da turbina a ressão de 50 Pa e om uma eloidade de 00 m/s. Determine o trabalho eseífio realizado elo aor que esoa na turbina, admitindo que o roesso seja adiabátio e reersíel. (383,48 J/g) BC309_Ana Maria Pereira Neto 6

27 4/0/0 Exeríios 5) Considere o esoamento de aor de água num boal. O aor entra no boal a MPa, 300ºC e om eloidade de 30 m/s. A ressão do aor na saída do boal é 0,3 MPa. Admitindo que o esoamento seja adiabátio, reersíel e em regime ermanente, determine a eloidade do aor na seção de saída do boal. (735,5 m/s) 6) Ar é omrimido, num omressor entrifugo, da ondição atmosféria, 90 K e 00 Pa, até a ressão de MPa. Admitindo que o roesso é adiabátio e reersíel e que as ariações das energia inétia e otenial são desrezíeis; alule o trabalho eseifio no roesso de omressão e a temeratura do ar na seção de desarga do omressor. (-70,8 J/g; 559,88 K) 7) Uma turbina é alimentada om aor de água a ressão de MPa e 300ºC. O aor sai da turbina a ressão de 5 Pa. O trabalho roduzido ela turbina foi determinado, obtendo o aor de 600 J or g de aor que esoa na turbina. Determine a efiiênia isoentróia da turbina. (80,90%) 8) Um turboomressor automotio é alimentado om ar a 00 Pa e 300 K. A ressão na seção de desarga do equiamento é 50 Pa. Sabendo que a efiiênia isentróia deste omressor é de 70%, determine o trabalho neessário ara omrimir um quilograma de ar neste equiamento. Qual é a temeratura na seção de desarga do turboomressor? (-5,75 J/g; 336,8 K) BC309_Ana Maria Pereira Neto 7

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