TERMODINÂMICA APLICADA

Transcrição

1 TERMODINÂMICA APLICADA Livro Texto adotado: Fundamentos da Termodinâmica Claus Borgnakke/ Richard E. Sonntag Editora Blucher. Samuel Sander de Carvalho Juiz de Fora -MG

2 INTRODUÇÃO: Para a primeira lei da termodinâmica, um processo era definido como sendo uma integral cíclica do calor igual a integral cíclica do trabalho. Mas a primeira lei preocupa-se com a direção dos fluxos desse processo? NÃO. Os processos em geral ocorrem de forma naturalem uma determinada direção mas não na direção oposta.

3 MOTORES TÉRMICOS E REFRIGERADORES: Alta Temperatura Q Q Q W Baixa Temperatura

4 INTRODUÇÃO: A partir de agora, como podemos definir um processo? Início Processo 1ª Lei 2ª Lei Término OK! Um processo somente ocorrerá, se tanto a primeira quanto a segunda lei da termodinâmica forem satisfeitas. De forma mais ampla, a segunda lei indica que todos os processos conhecidos ocorrem em um certo sentido, mas no sentido oposto isso não poderá ocorrer, pelo menos,nãodeformaespontânea.alémdisso, a2ªleifocaaqualidade.

5 MOTORES TÉRMICOS E REFRIGERADORES: Baseado nos exemplos anteriores, podemos considerar o motor térmico e o refrigerador. Motor Termodinâmico, essa denominação é utilizada em sentido mais amplo que o real, designa todos os dispositivos que produzem trabalho, por meio da transferência de calor ou combustão, mesmo que ele não opere segundo um processo e/ou ciclo termodinâmico. São também conhecidos por Máquinas Térmicas. (ex.: motor a combustão interna e turbina a gás).

6 MOTORES TÉRMICOS: Em outras palavras, o seu funcionamento, pode ser exemplificado de acordo com a figura ao lado. Um diagrama de um motor térmico restrito, ou seja, uma usina a vapor básica, será apresentado aseguir:

7 MOTORES TÉRMICOS:

8 MOTORES TÉRMICOS: Nesse caso, pode-se dizer que o Trabalho líquido de saída é a energia pretendia, ou seja, é o trabalho realizado por algum equipamento proveniente do calor recebido de uma fonte quente. Assim,podemosdefini-locomo:, ou

9 MOTORES TÉRMICOS: Definimos cada variável da seguinte forma: ou - quantidade de energiafornecidaao fluido apartirde umafonte de alta temperatura(fornalha). Magnitude do calor transferido entre o dispositivo cíclico e o meio a alta temperatura ou - quantidade de energia rejeitada pelo fluido para um sumidouro a baixa temperatura(atmosfera, rio, etc.). Magnitude do calor transferido entre o dispositivo cíclico e o meio a baixa temperatura

10 MOTORES TÉRMICOS: Definimos cada variável da seguinte forma:, - quantidade de trabalho realizada pelo fluido em algum equipamento(turbina) à medida que se expande, - quantidade de trabalho necessário para algum equipamento (bomba) para realização de alguma tarefa.

11 MOTORES TÉRMICOS: Nesse momento torna-se importante definir Eficiência Térmica(η). Podemos dizer que essa eficiência é a razão entre a energia pretendida (gerada) pela energia total cedida. Em outras palavras: 1

12 MOTORES TÉRMICOS: Exemplo 1: Um motor de um carro com potência de 65 hp tem uma eficiência térmica de 24%. Determine a taxa mássica de consumo do combustível desse carro(lbm/h) se o poder calorífico do combustível for Btu/lbm. 8,705! "

13 MOTORES TÉRMICOS: A segunda situação seria a retirada de calor de um corpo a baixa temperatura para um corpo a alta temperatura. De forma espontânea isso não é possível, mas através de dispositivos como um sistema de refrigeração ou uma bomba de calor isso será alcançado. Um diagrama de um refrigerador elementar, ou, sistema de refrigeração, será apresentado a seguir:

14 MOTORES TÉRMICOS E REFRIGERADORES:

15 MOTORES TÉRMICOS E REFRIGERADORES: AeficiênciadeumrefrigeradoroudeumaBombadeCaloréconhecidacomo COP- Coeficiente de desempenho ou Coeficiente de Performance(β). O objetivo é remover calor ( ) do espaço refrigerado. Para atingir esse objetivo é necessário a realização de trabalho líquido de entrada. Assim, pode-se definir o COP de um refrigerador como sendo a razão da energia pretendida pela energia gasta, ou seja: $%& ' ( ) * + ) * ), -) *. ), ) * -.

16 BOMBA DE CALOR: Outro dispositivo que também retira calor de um meio com temperatura baixa e manda para um de temperatura maisaltaéabombadecalor. A diferença entre um refrigerador e uma bomba de calor é que o primeiro tem por finalidade manter baixa a temperaturadeondeeleretiraocalor,osegundoémanter alta a temperatura para onde ele envia calor, assim: $%& /0 1 ), + ), ), -) *..-), ) *

17 MOTORES TÉRMICOS E REFRIGERADORES: Exemplo 2: O compartimento de alimentos de um refrigerador, mostrado ao lado, é mantido a 4 C por meio da remoção de calor a uma taxa de 360 kj/min. Se a energia necessária for fornecida ao refrigerador a uma taxa de 2 kw. Determine (a) o coeficiente de performance do refrigerador e (b) a taxa com a qual o calor é rejeitado na sala em que está instalado o refrigerador.

18 SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA: 1º) Há dois enunciados clássicos da segunda lei da termodinâmica. É impossível para qualquer dispositivo que opera em um ciclo receber calor de um único reservatório e produzir uma quantidade líquida de trabalho. (Enunciado de Kevin-Planck) Em outras palavras é impossível construir um motor térmico com 100% de eficiência ( 13.

19 SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA: 2º) Há dois enunciados clássicos da segunda lei da termodinâmica. É impossível construir um dispositivo que funcione em um ciclo e 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. (Enunciado de Clausius) Em outras palavras é impossível construir um refrigerador ou uma bomba de calor com COP infinito (β 3.

20 SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA: Assim, pode-se concluir que ambos enunciados são expressões equivalentes à segunda lei da termodinâmica, ou seja, a violação de um implica na violação do outro.

21 SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA: Mais uma vez, pode-se afirmar que, um processo não pode ocorrer sem que atenda à primeira e a segunda leis da termodinâmica. Porém, se houvesse um dispositivo para fazer tal infração, essa seria a tão considerada moto-perpétuo ou moto-contínuo.

22 SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA: Há tipos ou espécies distintas para um moto-perpétuo. um moto-perpétuo de primeira espécie, criaria trabalho do nada, ou criaria massa e energia, violando a primeira lei. um moto-perpétuo de segunda espécie, receberia uma quantidade de calor de um reservatório térmico e, então, converteria essa quantidade de calor totalmente em trabalho, violando a segunda lei. um moto-perpétuo de terceira espécie, não teria atrito e, assim, operaria indefinidamente, porém, não produziria trabalho.

23 PROCESSO REVERSÍVEL E IRREVERSÍVEL: Quando afirmamos que não há um processo com 100% de eficiência, qual a próxima pergunta que precisa ser respondida? Qualéamáximaeficiênciaquepodeserobtida? Para responder essa pergunta, primeiro devemos definir um processo ideal, que é chamado de processo reversível. Podemos definir um processo como reversível, como aquele que, tendo ocorrido, pode ser invertido e após a inversão, não será notado nenhum vestígio no sistema e nas vizinhanças, em relação ao estado anterior.

24 PROCESSO REVERSÍVEL E IRREVERSÍVEL: Analise as seguintes situações: Processo inicial. Processo Irreversível Processo inverso.

25 IRREVERSIBILIDADE: São fatores que levam um processo a ser irreversível. Há vários desses fatores, mas aqui, será tratado quatro desses. 1º- Atrito: é uma força comum de irreversibilidade associada a corpos em movimento.

26 IRREVERSIBILIDADE: São fatores que levam um processo a ser irreversível. Há vários desses fatores, mas aqui, será tratado quatro desses. 2º - Expansão não resistida: quando há preenchimento de um fluido seja pelo rompimento de uma membrana que separa duas regiões, ou pela compressão e/ou expansão rápida ocupada pelo fluido.

27 IRREVERSIBILIDADE: São fatores que levam um processo a ser irreversível. Há vários desses fatores, mas aqui, será tratado quatro desses. 78 9: < 3º- Transferência de calor com diferença finita de temperatura: de forma espontânea só pode ocorrer na transferência de calor de um corpo com temperatura mais alta para um corpo com temperatura mais baixa.

28 IRREVERSIBILIDADE: São fatores que levam um processo a ser irreversível. Há vários desses fatores, mas aqui, será tratado quatro desses. 78 9: < 3º- Transferência de calor com diferença finita de temperatura: de forma espontânea só pode ocorrer na transferência de calor de um corpo com temperatura mais alta para um corpo com temperatura mais baixa.

29 IRREVERSIBILIDADE: São fatores que levam um processo a ser irreversível. Há vários desses fatores, mas aqui, será tratado quatro desses. 3º- Mistura de duas substâncias distintas: processo que envolve a mistura de dois fluidos distintos.

30 PROCESSOS INTERNA E EXTERMANENTE REVERSÍVEIS: Um processo é considerado internamente reversível, quando os caminhos do processode voltase coincidem com oscaminhosdo processo de ida. Mas essa coincidência de caminhos, só é válida para a ocorrência na região interna às fronteiras do sistema. Um processo é considerado externamente reversível, se não ocorrer nenhuma irreversibilidade fora do sistema (na vizinhança) durante o processo.

31 CICLO DE CARNOT: Trata-se de um ciclo teórico, pois na prática ciclos reversíveis não podem ser realizados, porque as irreversibilidades associadas a cada processo não podem ser eliminadas. No entanto, esse ciclo serve como referência para os ciclos reais, onde a tentativas desses ciclos é fazer com que o trabalho líquido e a eficiência do ciclo sejam maximizados com o uso de processos que exijam o mínimo de trabalho e resultem no máximo de trabalho Assim, o ciclo reversível mais conhecido é o ciclo de Carnot.

32 CICLO DE CARNOT: Para entender o ciclo de Carnot, vamos analisar os processos a seguir: 1.IníciodoCiclo

33 CICLO DE CARNOT: Para entender o ciclo de Carnot, vamos analisar os processos a seguir: 2.

34 CICLO DE CARNOT: Para entender o ciclo de Carnot, vamos analisar os processos a seguir: 3.

35 CICLO DE CARNOT: Para entender o ciclo de Carnot, vamos analisar os processos a seguir: 4.Fimdociclo

36 CICLO DE CARNOT: Em resumo, o ciclo de Carnot apresenta 4 processos básicos que podem ser descritos da seguinte forma. 1. Um processo isotérmico reversível, no qual o calor é transferido do reservatório a alta temperatura. 2. Um processo adiabático reversível, no qual a temperatura do fluido de trabalho diminui enquanto há expansão do volume.

37 CICLO DE CARNOT: Em resumo, o ciclo de Carnot apresenta 4 processos básicos que podem ser descritos da seguinte forma. 3. Um processo isotérmico reversível, no qual o calor é transferido para o reservatório a baixa temperatura. 4. Um processo adiabático reversível, no qual a temperatura do fluido de trabalho aumenta enquanto há redução do volume.

38 CICLO DE CARNOT: O resultado gráfico de um processo como esse seria: Esse primeiro caso, trata-se de uma máquina térmica, no entanto o inverso é válido para um refrigerador ou bomba de calor.

39 CICLO DE CARNOT: O ciclo de Carnot trabalha em escala de temperatura absoluta, ou seja, na escala Kelvin [T(K) = T(⁰C) + 273,15]. Assim, a escala termodinâmica de temperatura pode ser definida como: = = Por fim, o rendimento térmico de um ciclo de Carnot, pode ser expresso por: >é@abcd 1 1 = =

40 CICLO DE CARNOT: Exercício Um ciclo de refrigeração de Carnot é executado em um sistema fechado na região de mistura líquido-vapor saturados com 0,8 kg de refrigerante-134a como fluido de trabalho(ver figura ao lado). As temperaturas máximas e mínimas do ciclo são 20 ⁰C e -8 ⁰C, respectivamente. Sabe-se que o refrigerante é líquido saturado ao final do processo de rejeição de calor, e a entrada de trabalho líquido no ciclo é de 15 kj. Determine a fração da massa do refrigerante que vaporiza durante o processo de adição de calor e a pressão no final do processo de rejeição de calor

41 CICLO DE CARNOT: Exercícios: Um refrigerador doméstico opera segundo um ciclo de Carnot em uma sala a 20 ⁰C. o calor necessita ser transferido do espaço refrigerado a uma taxa de 2 kw para manter a sua temperatura interna em -30 ⁰C. Qual é a menor potência teórica requerida para a sua operação?

42 FIM CAP. 5