Físico-Química I. Profa. Dra. Carla Dalmolin Luísa Rosenstock Völtz. Máquinas Térmicas. Segunda Lei da Termodinâmica. Ciclo de Carnot.

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1 Físico-Química I Profa. Dra. Carla Dalmolin Luísa Rosenstock Völtz Máquinas Térmicas Segunda Lei da Termodinâmica Ciclo de Carnot Refrigeração

2 Máquina Térmica Uma máquina térmica converte parte da energia molecular aleatória do fluxo de calor em energia mecânica macroscópica Fonte quente : temperatura do reservatório quente q h : Energia em forma de calor que é transferida para a máquina térmica Fonte Fria : temperatura do reservatório frio q c : calor perdido pela máquina para o reservatório frio

3 Segunda Lei da Termodinâmica Trata da espontaneidade dos processos Não é possível um processo que tenha como único resultado a absorção de calor e sua completa conversão em trabalho Calor fornecido Trabalho q 1 = w q 2 Calor perdido Fluxo de energia Fonte de Calor Calor q 1 Energia ordenada Desordem molecular Trabalho (w) Máquina Calor q 2

4 Máquina a Vapor

5 Usina Termoelétrica

6 Eficiência Fonte Quente Relação entre o trabalho efetuado por uma máquina térmica e a energia recebida em forma de calor q h w A eficiência de uma máquina é maior quanto maior for o trabalho efetuado a partir do calor recebido q c η = trabalho efetuado calor recebido Sumidouro Frio η = w q h = q h q c q h = 1 q c q h Máquina Térmica q c q h < 1 0 < η < 1

7 Princípio de Carnot Nenhuma máquina térmica pode ser mais eficiente que uma máquina térmica reversível quando ambas operam entre o mesmo par de temperatura e A quantidade máxima de trabalho produzido a partir de um fornecimento de calor é obtida com uma máquina reversível η irrev η rev Máquina de Carnot: máquina térmica ideal que apresenta rendimento máximo Procedimento mais eficaz para produzir trabalho a partir de dois reservatórios térmicos A eficiência de uma máquina de Carnot depende apenas das temperaturas de trabalho: e η = f(, )

8 Ciclo de Carnot Ciclo reversível de duas etapas isotérmicas em diferentes temperaturas e duas etapas adiabáticas Determinação de η = f(, ) Etapa 1: Absorção de calor q h de um reservatório em Se o processo é reversível, a temperatura do gás deve permanecer em Processo isotérmico: ΔU = 0 O gás deve se expandir e realizar trabalho igual ao calor absorvido Expansão isotérmica reversível Etapa inversa: Liberação de calor q c para um reservatório em Compressão isotérmica reversível <

9 Pressão, p Ciclo de Carnot Se só ocorre transferência de calor entre as temperaturas e, as etapas que unem os dois processos isotérmicos devem ser adiabáticas 1. Expansão Isotérmica Reversível de A B, a S 1 = q h, onde q h é o calor fornecido ao sistema 2. Expansão Adiabática Reversível de B C Não há troca de calor: S 2 = 0 Na expansão, a temperatura cai de 3. Compressão Isotérmica Reversível de C D, a A energia é liberada para a vizinhança na forma de calor (-q c ) S 3 = q c 4. Compressão Adiabática Reversível de D A S 4 = 0; com elevação de temperatura de Adiabática Adiabática S total = q h + q c = 0 Isotermas

10 Ciclo de Carnot num Gás Perfeito Pressão, p Para um gás perfeito, a energia transferida como calor durante uma etapa isotérmica é: q h = nr ln V B V A q c = nr ln V D V C Para um processo adiabático reversível, V é constante (c = capacidade específica) V A c = V D c V C c = V B c V A c V C c = V D c V B c V A V B = V D V C Adiabática q c = nr ln V D V C = nr ln V A V B = nr ln V B V A q h q c = nr ln V B VA nr ln V = B VA ou q h = q c Adiabática Do ciclo de Carnot: η = 1 Isotermas

11 Exercícios Propostos Uma máquina térmica opera segundo o ciclo de Carnot entre as temperaturas de 500K e 300K, recebendo 2 000J de calor da fonte quente. Qual é o trabalho realizado pela máquina? Qual é o calor rejeitado para a fonte fria?

12 Exercícios Propostos Uma planta que gera potência, com capacidade nominal de kw, produz vapor d'água a 585 K e descarrega calor para um rio a 295 K. Se a eficiência térmica da planta é 70% do valor máximo possível, que quantidade de calor é descarregada para o rio na operação com a capacidade nominal?

13 Máquinas Térmicas e o Ciclo de Carnot Ciclo de Carnot: reversível Máquina de Carnot: produz w rev η = w rev q h, w rev = w max Nenhuma máquina é mais eficiente que a máquina de Carnot η 1 η = 1 Sempre haverá perda de calor para uma fonte fria: η < 1

14 Refrigeração Transferência de calor de um reservatório frio para um sumidouro quente Fonte Quente ΔS t = ΔS c + ΔS h ΔS t < 0 ΔS h = q c ΔS c = q c > ΔS h < ΔS c q c Processo não espontâneo O aumento de entropia na fonte quente não é suficiente para compensar a perda de entropia no reservatório frio Reservatório Frio

15 Refrigeração Para que a refrigeração seja possível, é necessário aumentar a entropia da fonte quente Injeção de energia em forma de trabalho q c Fonte Quente w q c q h = w + q c q h = w + q c Reservatório Frio w

16 Coeficiente de Desempenho O desempenho de um refrigerador é medido pela quantidade mínima de trabalho necessário para uma transferência de calor c = energia transferida como calor energia transferida como trabalho = q c w Onde q h = q c + w, ou w = q h q c Normalmente utiliza-se 1 c 1 c = w q c = q h q c q c 1 c = 1 ou c = = q h q c 1