Curso: Engª Mecânica Disciplina: Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani. Capítulo 1 Alguns Comentários Preliminares

Transcrição

1

2 Curso: Engª Mecânica Disciplina: Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani Capítulo 1 Alguns Comentários Preliminares

3 Exemplo clássico da conversão de calor em trabalho. A usina termoelétrica utiliza o vapor d água a alta pressão e temperatura para produzir torque no eixo da turbina. O sistema frequentemente é instalado com pré-aquecedores de água e ar de combustão para se elevar a eficiência termodinâmica. Para se atenuar o impacto ambiental é necessário o tratamento dos gases de combustão através de despoeiradores e lavadores de gás. Um problema ambiental ainda muito discutido é o aumento da temperatura dos rios e lagos sempre vizinhos as usinas. O resfriamento do vapor d água, oriundo da turbina, fica a cargo da água destes reservatórios que inevitavelmente é aquecida prejudicando o ecossistema da localidade. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

4 Central termoelétrica, localizada na Dinamarca, atingiu uma eficiência térmica recorde na sua inauguração. Converteu 45% dos 850MW de energia disponível da queima do carvão em energia elétrica. Na Fig. 1.4, a representação global de uma usina termoelétrica convencional. Notem que além da eletricidade gerada, há transferência de calor para a água de resfriamento e para o ambiente através dos gases de combustão. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

5 Esquema de uma instalação propulsora naval nuclear. Neste caso um fluido secundário é aquecido no reator e por sua vez aquece a água no gerador de vapor. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

6 Representação do ciclo de compressão a vapor ou ciclo frigorífico. Trabalho é realizado sobre o sistema para que haja rejeição e absorção de calor pelo condensador e evaporador respectivamente. Os componentes básicos do ciclo são: compressor, evaporador, condensador e dispositivos de expansão. No presente curso não estaremos interessados na inter-relação dos componentes. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

7 Unidade de refrigeração utilizada em grandes instalações de ar condicionado. A unidade é composta de trocadores de calor e compressor do fluido refrigerante. Neste caso o sistema é classificado como de expansão indireta pelo fato de que a água resfriada na unidade de refrigeração é o agente de refrigeração nos pontos de abastecimento. O fluido refrigerante fica restrito a unidade de refrigeração. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

8 Instalação para a produção de oxigênio líquido. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

9 Turbina a gás. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

10 Motor a jato. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

11 Curso: Engª Mecânica Disciplina: Termodinâmica A Capítulo 2 Alguns Conceitos e Definições Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

12 O SISTEMA TERMODINÂMICO A Fig. 2.1 representa um sistema termodinâmico que é definido como uma quantidade de matéria com massa e identidade fixa. Tudo que é externo ao sistema é denominado vizinhança. O sistema é separado da vizinhança pela fronteira que pode ser móvel ou fixa. Ex.: o aquecimento do sistema por um bico de Bunsen, calor e trabalho podem cruzar a fronteira neste processo, porém a matéria permanece a mesma e pode ser identificada. Um sistema isolado é aquele que não é influenciado pela vizinhança, ou seja, calor e trabalho não cruzam a fronteira. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

13 O VOLUME DE CONTROLE Frequentemente na engenharia nos deparamos com equipamentos que possuem escoamento de massa para dentro e/ou fora de equipamentos. Nestes casos o método utilizado para a abordagem do problema é a especificação de um volume de controle que o envolve ficticiamente. A superfície deste volume é chamada: superfície de controle. Note que calor e trabalho podem ser transportados pelas superfícies de controle. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

14 Sistema Aberto Sistema Fechado Classificaremos os sistemas termodinâmicos em dois tipos: aberto e fechado. Sendo que o fechado se caracteriza por possuir massa constante e o aberto com entrada e saída de massa através da superfície de controle. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

15 PROCESSOS E CICLOS TERMODINÂMICOS Quando pelo menos uma propriedade de um sistema é alterada, dizemos que ocorreu uma mudança de estado. O caminho percorrido por uma sucessão de estados é definido como processo. Quando um sistema, num dado estado inicial passa por um certo número de mudanças de estado ou processos, e finalmente retorna ao seu estado inicial, dizemos que o sistema executa um ciclo termodinâmico. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

16 PROCESSOS E CICLOS TERMODINÂMICOS É importante definirmos o conceito de processo quase estático e não quase estático. Quando o processo se desenvolve de forma que o sistema permaneça infinitesimalmente próximo ao estado de equilíbrio em todos os momentos ele é chamado de quase estático. Um processo quase estático pode ser visto como um processo suficientemente lento para que o sistema se ajuste internamente. Desta forma, as propriedades de uma parte do sistema não se alteram mais rapidamente do que outras partes. Para os processos não quase estáticos, figura (b), forma-se uma zona de choque próximo ao pistão onde a pressão é maior do que nas demais zonas do sistema. Assim, o sistema não pode ser dito em equilíbrio. Não estaremos aptos a descrever cada estado que o sistema passa, mas sim, antes do processo iniciar e depois que o equilíbrio é atingido. É comum para os processos termodinâmicos a representação em diagramas por serem muito úteis para a visualização dos mesmos. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

17 PROPRIEDADES DE UMA SUBSTÂNCIA A fase de uma substância pode ser definida por uma quantidade de matéria totalmente homogênea. Em cada fase a substância pode existir em várias pressões e temperaturas, ou em vários estados. Para se identificar um estado devemos conhecer algumas propriedades macroscópicas como: temperatura, pressão e massa específica. Mais tarde definiremos a quantidade mínima de propriedades que deveremos conhecer para se determinar o estado termodinâmico da substância. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

18 PROPRIEDADES INTESIVAS E EXTENSIVAS As propriedades termodinâmicas são divididas em duas classes: intensivas e extensivas. Uma propriedade intensiva independe da massa e o valor de uma propriedade extensiva varia diretamente com a massa. Assim, se uma quantidade de matéria, num dados estado, é dividida em duas partes iguais, cada parte apresentará o mesmo valor das propriedades intensivas e metade do valor das propriedades extensivas da massa original. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

19 MASSA E VOLUME ESPECÍFICO Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

20 ENERGIA Um dos conceitos muito importante da termodinâmica é o conceito de energia. Considere um gás, a uma dada pressão e temperatura contido num tanque. Do ponto de vista microscópico temos: a) Energia potencial intermolecular que é associada as forças entre moléculas. b) Energia cinética molecular que é associada a velocidade de translação das moléculas. c) Energia intermolecular. Do ponto de vista macroscópico (interesse do curso) temos: a) Quantidade de calor transferido b) Trabalho realizado ou transferido do sistema para vizinhança. O somatório de todas as formas de energia microscópicas de energia é chamada de energia interna. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

21 TEMPERATURA Outra importante grandeza é a temperatura. Frequentemente está associada a sensação fisiológica do ser humano. Expressamos o nível de temperatura através de expressões como: frio de rachar, friozinho, morno, muito quente, etc. Porém não podemos atribuir valores de temperatura conforme nossas sensações. O medidor de temperatura mais conhecido é o termômetro de mercúrio. Eng.ª Mecânica - Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani

22 A LEI ZERO DA TERMODINÂMICA A Lei Zero da Termodinâmica diz a respeito do equilíbrio dos corpos e pode ser escrita como: dois corpos estão em equilíbrio térmico se ambos estiverem em equilíbrio com um terceiro. Pode parecer tolice que um fato tão obvio possa ser um umas das leis básicas da termodinâmica, porém não pode ser concluída a partir de outras leis. A Lei Zero foi formulada por R. H. Fowler em 1931 mas só foi reconhecida como principio fundamental mais de meio século depois da formulação da 1ª e 2ª leis da Termodinâmica. As escalas mais utilizadas para temperatura são: Kelvin, Celsius e Fahrenheit. Eng.ª Mecânica - Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani

23 PRESSÃO Eng.ª Mecânica - Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani

24 PRESSÃO Para exemplificar: habitualmente a calibragem dos pneus é de 32psi (lb/pol²). Isto significa que a pressão dos pneus é de 2,23x maior que a pressão atmosférica. Se no local a pressão atmosférica é de 14,3psi, portanto, a pressão absoluta do pneu é 46,3psi. Eng.ª Mecânica - Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani

25 PRESSÃO Eng.ª Mecânica - Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani

26 DEPENDÊNCIA: PRESSÃO ATMOSFÉRICA E TEMPERATURA DE SATURAÇÃO Através das tabelas acima observamos a dependência da temperatura de saturação da água e a pressão atmosférica. Por este motivo, por exemplo, notamos que em regiões de alta altitude a água evapora a temperaturas mais baixas que 100 C. Eng.ª Mecânica - Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani

27 Curso: Engª Mecânica Disciplina: Termodinâmica A Capítulo 3 Propriedades de uma Substância Pura Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

28 SUBSTÂNCIA PURA Substância pura é aquela formada exclusivamente por partículas (moléculas ou átomos) quimicamente iguais e que possuam composição química invariável e homogênea independente da fase que se encontre. O exemplo acima demonstra a mudança de fase da água líquida para a fase gasosa, onde constatamos que a água é uma substância pura, pois sua composição não varia. Notamos que o processo ocorre em uma pressão (0,1MPa) constante e na Fig. (b) inicia-se a evaporação á temperatura de 99,6 C. Assim, chamamos que a temperatura de saturação da água é 99,6 C para a pressão de saturação de 0,1MPa. Eng.ª Mecânica - Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani

29 DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO Para uma substância pura existe uma relação muito bem definida entre pressão e temperatura de saturação. A Fig. 3.2 é chamada curva de pressão de vapor. Como na Termodinâmica nos deparamos frequentemente com processos em que as substâncias mudam de fase, é de grande utilidade representarmos estes processos por diagramas. A Fig. 3.3 representa um diagrama muito utilizado: pressão x volume. Neste diagrama identificamos alguns conceitos importantes: Ponto crítico, linha de líquido saturado e linha de vapor saturado. Eng.ª Mecânica - Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani

30 DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO O diagrama mais representativo dos processos termodinâmicos é o que associa pressão e volume específico. Este diagrama é conhecido como pxv. Na figura da direita o diagrama pxv com a fase sólida representada. Eng.ª Mecânica - Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani

31 TÍTULO DE UMA SUBSTÂNCIA PURA Outro importante conceito é o do título ou qualidade. Esta grandeza representa a razão entre massa de vapor e a massa total. O título varia entre 0 x 1. Assim, na figura 3.1b, se a massa de vapor fosse 0,2kg e a massa de líquido 0,8kg, o título seria de 0,2 ou 20%. No diagrama T x v acima podemos visualizar o conceito do título. Eng.ª Mecânica - Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani

32 DIAGRAMA DE FASE A Fig. 3.5 representa o diagrama P-T de uma substância pura. Este diagrama é conhecido como diagrama de fase, uma vez que todas as fases são separadas uma das outras por três linhas. A linha de sublimação separa as regiões de sólido/vapor, a linha de vaporização separa as regiões de líquido/vapor e a linha de fusão as regiões de sólido/líquido. As três linhas se encontram no ponto triplo, onde todas as fases coexistem em equilíbrio. Eng.ª Mecânica - Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani

33 TABELAS DE PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS Uma ferramenta importantíssima para a resolução de problemas de engenharia são as Tabelas Termodinâmicas. Nestas tabelas as propriedades de vários fluidos são apresentadas em função de pressão ou temperatura. Em nosso livro texto o Apêndice B contém várias tabelas que estão disponíveis para download. Como o vapor d água é largamente empregado em geradores e processos industriais, frequentemente iremos nos referir a este fluido (Tabelas B1). Na figura acima parte da Tabela B.1.1 que representa as propriedades da água saturada em termos de temperatura. Eng.ª Mecânica - Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani

34 TABELAS COMPUTADORIZADAS Outra ferramenta muito útil que ganhou força a partir dos anos 80 são: As tabelas termodinâmicas computadorizadas. O site da editora do livro texto disponibiliza o programa CATT (Computer Aided Thermodynamic Tables) para download. O software é auto explicativo e possui no seu banco de dados vários fluidos e suas respectivas propriedades. Eng.ª Mecânica - Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani

35 SUPERFÍCIES TERMODINÂMICAS Uma forma de resumir a relação de pressão, temperatura e volume específico é apresenta-los como eixos ortogonais e o estado termodinâmico como um ponto sobre a superfície. As figuras ao lado representam uma substância, a água, que aumenta seu volume específico durante a solidificação. Eng.ª Mecânica - Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani

36 O COMPORTAMENTO P-V-T DOS GASES NA REGIÃO DE MASSAS ESPECÍFICAS PEQUENAS OU MODERADAS PV = RT (Equação de estado de J. Charles e J. Gay Lussac) Onde a constante de proporcionalidade R é chamada de constante do gás. A constante R é diferente para cada gás e é determinada a partir de: R = R M Onde R é a constante universal dos gases e M a massa molar (peso molecular) do gás. A constante R é a mesma para todas as substâncias e seu valor é: Umas das formas de acúmulo de energia em nível molecular já discutida é a energia potencial intermolecular, relacionadas com as forças que atuam entre moléculas. Nós afirmamos na ocasião que estas forças podem ser desprezadas quando a massa específica é muito pequena devido a grande distância entre as moléculas (gases). Nessa condição as partículas são interdependentes e o fluido é denominado gás ideal. Experimentalmente observou-se que os gases ideais possuem uma relação entre p-v-t segundo as equações de estado. Eng.ª Mecânica - Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani

37 O FATOR DE COMPRESSIBILIDADE Para avaliarmos a condição de adequabilidade a condição de gás ideal é necessária a conhecermos o chamado fator de compressibilidade, Z, definido pela relação: Z=Pv/RT Perceba que para um gás ideal Z=1 e que o afastamento de Z em relação a unidade e uma medida do desvio de comportamento do gás real em relação ao previsto pela equação de estado dos gases ideais. Note que na figura acima a água possui comportamento de gás ideal somente na região hachurada e mesmo assim com um erro associado. Porém devido a quantidade de substâncias existentes na natureza, um único diagrama que as represente é muito bem vindo. Eng.ª Mecânica - Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani

38 DIAGRAMA GERAL DE COMPRESSIBILIDADE O diagrama geral de compressibilidade representa o comportamento dos gases baseado na pressão e temperatura reduzida. Da Fig. D.1 podemos concluir: A pressões muito baixas (Pr<<1), os gases se comportam como gases ideais independentemente da temperatura; A temperaturas altas (Tr>2), o comportamento de gás ideal pode ser admitido com boa exatidão, independentemente da pressão ( exceto Pr>>1); O desvio do comportamento do gás ideal é maior na vizinhança do ponto crítico. Eng.ª Mecânica - Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani

39 Curso: Engª Mecânica Disciplina: Termodinâmica A Capítulo 4 Calor e Trabalho Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

40 TRABALHO Tradicionalmente entendemos trabalho como sendo uma força aplicada a uma massa durante um deslocamento x. Porém na Termodinâmica é vantajoso relacionar trabalho com os conceitos de sistemas, processos e propriedades. Definimos, portanto, trabalho do seguinte modo: um sistema realiza trabalho se o único efeito sobre a vizinhança puder ser o levantamento de um peso. Note que o levantamento de um peso é, realmente uma força agindo ao longo de uma distância. Eng.ª Mecânica - Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani

41 TRABALHO DE FRONTEIRA Uma forma de trabalho mecânico frequentemente associado a termodinâmica e encontrado facilmente na prática, é a expansão e compressão de um gás em um arranjo pistão/cilindro. Como exemplo clássico temos os motores de combustão interna ou compressores. Nestes casos a velocidade do pistão é muita alta, não permitindo a determinação do trabalho de fronteira de forma analítica. Veremos mais tarde que o trabalho é uma função de trajetória, assim sendo, se o processo não é de quase equilíbrio o trabalho de fronteira poderá ser determinado somente empiricamente. Eng.ª Mecânica - Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani

42 TRABALHO DE FRONTEIRA Considere um gás confinado, Fig. 4.5, o trabalho diferencial necessário para a compressão, é igual ao produto da força e do deslocamento diferencial ds. Como força e deslocamento não são grandezas muito simpáticas a termodinâmica, definiremos trabalho através da equação acima. Note que a variação dv na expansão é positiva, entretanto na compressão é negativa, por este motivo o trabalho de fronteira respeita a mesma regra. Eng.ª Mecânica - Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani

43 TRABALHO ELÉTRICO Outro exemplo de trabalho é o Trabalho Elétrico. Os elétrons que cruzam a fronteira do sistema realizam trabalho elétrico sobre o sistema. Eng.ª Mecânica - Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani

44 TRABALHOS MECÂNICOS Outra forma muito comum na engenharia é a realização de trabalho através da rotação de eixos e compressão de molas. Eng.ª Mecânica - Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani

45 CALOR Energia em trânsito que se origina da diferença de temperatura entre dois corpos. Existem três formas de transferência de calor: Condução, Convecção e Radiação. Independente do meio ou até no vácuo esta forma de energia está presente em todos as máquinas térmicas. Eng.ª Mecânica - Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani

46 A DIFERENÇA ENTRE CALOR E TRABALHO É muito importante diferenciar o conceito de calor e trabalho. Ambos podem ser confundidos e a abordagem do problema comprometida. Acima, um exemplo de que dependendo do posicionamento do volume de controle poderemos ter diferentes abordagens: somente trabalho, somente calor ou ambos. Eng.ª Mecânica - Termodinâmica A Prof. Tárik Linhares Tebchirani

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63 v

64 Fundamentos da Termodinâmica Tradução da 7ª Edição Americana Capítulo 5 Primeira Lei da Termodinâmica

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79 Adicione aqui o Texto

80

81

82

83

84

85

86

87

88

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100 Fundamentos da Termodinâmica Tradução da 7ª Edição Americana Capítulo 6 Primeira Lei da Termodinâmica Aplicada a Volumes de Controle

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

124

125

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

141

142

143

144

145

146

147

148

149

150 Curso: Engª Mecânica Disciplina: Termodinâmica A Capítulo 7 Segunda Lei da Termodinâmica Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

151 SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA: O SENTIDO DE UM CICLO Nos capítulos anteriores aplicamos os conceitos da primeira lei da Termodinâmica, ou o princípio da conservação de energia, e não temos informações de processos que a violam. Porém, veremos neste capítulo que mesmo sem viola-la não temos garantia do processo ocorrer na prática. As fig. 7.1 e 7.2acima representam as restrições da 2ª Lei quanto as direções do fluxo de calor e trabalho. Note que ambos os exemplos só podem ser realizados em determinado sentido, sendo o sentido inverso impossível de ocorrer na prática, mesmo que a 1ª Lei não seja desrespeitada. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

152 SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA: RESERVATÓRIOS TÉRMICOS Ao desenvolver a segunda lei da termodinâmica é conveniente conceber um corpo hipotético com uma capacidade de energia térmica (massa x calor específico) relativamente grande que possa fornecer ou remover quantidades finitas de calor sem sofrer variação de temperatura). Tal corpo é chamado de reservatório térmico Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

153 SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA: ENUNCIADO DE KELVIN-PLANK É impossível para qualquer dispositivo que opere como um ciclo receber calor de um único reservatório e produzir uma quantidade líquida de trabalho A segunda lei afirma que além de quantidade a energia também possui qualidade. Ou seja, os engenheiro estão preocupados na degradação da energia durante os processos. Este conceito é um dos pilares da segunda lei e será melhor explicado com o conceito de entropia. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

154 SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA: ENUNCIADO DE CLASIUS É impossível para qualquer dispositivo que opere como um ciclo que não produza qualquer outro efeito que não seja a transferência de calor de um corpo com temperatura mais baixa para um corpo com temperatura mais alta O enunciado de Clasius não impede a construção de um dispositivo cíclico que transfira calor de um reservatório frio para um reservatório quente. Na verdade, é isso que os refrigeradores fazem. Simplesmente o enunciado estabelece que um refrigerador não pode funcionar a menos que uma fonte de trabalho externo seja acionada. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

155 O MOTOR TÉRMICO A fig. 7.3 representa um dispositivo chamado de motor térmico e a substância para qual e da qual calor é transferido é chamado fluido de trabalho. Resumindo, motor térmico ocorre quando o sistema termodinâmico realiza trabalho absorvendo calor de um reservatório quente e rejeitando calor para o reservatório frio. O motor de combustão interna e a turbina são exemplos deste dispositivo mesmo que não operem como um ciclo. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

156 O REFRIGERADOR OU BOMBA DE CALOR A fig. 7.6 representa um refrigerador que recebe trabalho da vizinhança para promover o fluxo de calor entre os reservatórios quente e frio. O fluido de trabalho usualmente são fluidos refrigerantes como R404, R22, R134, etc. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

157 EFICIÊNCIA TÉRMICA A esta altura é apropriado introduzirmos o conceito de eficiência térmica. Por definição denominamos que a eficiência para um motor térmico é a razão entre o que é produzido de trabalho (energia pretendida) e a energia utilizada (energia gasta). Para o refrigerador, é o inverso. Na prática a eficiência de refrigeradores é denominada coeficiente de performance (COP). Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

158 EFICIÊNCIA TÉRMICA Ex. 7.1 resolvido. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

159 EFICIÊNCIA TÉRMICA Ex. 7.2 resolvido. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

160 MOTO-CONTÍNUO Apesar de termos afirmado que um ciclo não pode ocorrer sem que respeito a 1ª e 2ª Lei da Termodinâmica, isso não impediu inventores tentar criar um dispositivo moto-contínuo. Um moto-contínuo que viole a 1ª Lei é chamado de PMM1 (perpetual motion machine of the first kind) e o que viole a 2ª Lei é chamado de PMM2. A primeira figura representa um PMM1 pois cria energia numa taxa Q sai +W liq sem receber qualquer energia. Já a segunda figura é uma PMM2, pois o ciclo opera apenas com um reservatório: a caldeira. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

161 PROCESSOS REVERSÍVEIS E IRREVERSÍVEIS A segunda lei está intimamente associada ao conceito de reversibilidade e irreversibilidade. Um processo reversível pode ser definido como um processo que pode ser revertido sem deixar qualquer vestígio. Ou seja, o sistema pode ser restaurado de forma espontânea. Caso isso não seja possível, o processo torna-se irreversível, a vizinhança geralmente exerce algum trabalho sobre o sistema para que o mesmo se restaure. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

162 IREVERSIBILIDADES Os fatores que levam um processo a se tornar irreversível são chamados de irreversibilidades. E podem ser: atrito, expansão não resistida, deformação inelástica de sólidos, transferência de calor com diferença de temperatura finita e reações químicas. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

163 O CICLO DE CARNOT A eficiência de uma máquina térmica depende de como são executados os processos individuais que compõe o ciclo. A eficiência pode ser maximizadas com o uso de processos reversíveis, ou seja, que exijam o mínimo de trabalho e resultem no máximo de trabalho. Processos reversíveis não podem ser realizados na prática, pois a irreversibilidades não podem ser eliminadas. Entretanto os ciclos reversíveis apresentam os limites superiores para o desempenho de ciclos reais. Provavelmente o ciclo mais conhecido e o que foi proposto por Sadi Carnot em O ciclo é composto de quatro processos reversíveis: dois isotérmicos e dois adiabáticos. O isolamento do cabeçote pode ser removido para colocá-lo em contato com diferentes reservatórios. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

164 OS PRINCIPIOS DE CARNOT Podemos extrair conclusões valiosas dos enunciados de Kelvin Plank e Clasius. Duas conclusões referentes a eficiência térmica de máquinas reversíveis e irreversíveis são conhecidas como os Princípios de Carnot: 1. A eficiência de uma máquina térmica irreversível é sempre menor que uma máquina térmica reversível operando entre os mesmos reservatórios. 2. A eficiência de todas as máquinas térmicas reversíveis operando entre os mesmos dois reservatórios é a mesma. Engª Mecânica - Termodinâmica A Profº Tárik Linhares Tebchirani

165

166

167

168

169

170

171

172

173

174

175

176

177

178

179

180

181

182

183

184

185

186

187

188

189

190

191

192

193

194

195