Máquinas Térmicas, Segunda Lei e o Motor de Carnot

Transcrição

1 Máquinas Térmicas, Segunda Lei e o Motor de Carnot

2 Revisando S = f i dq T = Q T Segunda Lei: ΔS>0 Para um processo espontâneo (irreversível) em um sistema fechado. Para processos reversíveis em um sistema fechado, S=0. S é uma função de estado. S 0-2ª Lei

3 Motores: Máquinas Realizam Trabalho (extraindo energia do ambiente); Sofrem Processos Cíclicos. E = Q W E = 0 Q = W maq Q = Q i Q f Motores ideais: São motores que operam por processos reversíveis, cujas transferências de energia ocorrem sem perdas.

4 Usina termoelétrica

5 Usina nuclear

6 Máquinas Térmicas: Como representar o ciclo em um diagrama PV? = W Q q = Q q Q f Q q = 1 Q f Q q Motores ideais podem ter rendimentos diferentes? SIM

7 Eficiência = 1 0 Q q = 1 Um motor transfere 2,00 x 10 3 J de calor de um reservatório quente durante um ciclo e transfere 1,50 x 10 3 J para um reservatório frio. (a) encontre o rendimento do motor. b-) Quanto trabalho esse motor realiza em um ciclo? (a) 25% ; (b) 500J

8 Motor de Carnot Processo A B: Expansão isotérmica reversível à temperatura T q (Q>0). Processo B C: Expansão adiabática reversível (Q=0). A Temperatura cai de T q para Tf. Processo C D: Compressão isotérmica reversível a temperatura Tf (Q<0). Processo D A: Compressão adiabática reversível (Q=0). A Temperatura aumenta de T f para T q.

9 Motor de Carnot Representação do ciclo de Carnot em um diagrama PV. O trabalho realizado é a área assinalada contida entre as curvas. Entropia S = S a + S b

10 Ciclo de Carnot: Entropia S = S a + S b S = Q q Q f T q T f Reversível Sciclosf = 0 Em um ciclo (sistema fechado): Q q T q = Q f T f Q q Q f = T q T f Sistema fechado - reversível. = 1 T f T q Eficiência de um motor de Carnot

11 Ciclo de Carnot: Entropia = 1 T f T q Não é possível nenhuma série de processos cujo único resultado seja a transferência de energia na forma de calor de um reservatório térmico e a completa conversão desta energia em trabalho.

12 Motores Perfeitos (..não existem) = 1 T f T q Tq ou Tf 0 A Segunda lei seria violada!!!

13 Questão Três máquinas operam entre reservatórios com uma diferença de temperatura de 300K. As temperaturas dos reservatórios são as seguintes: A--> Tq=1000K, Tf=700K; B--> Tq=800K, Tf=500K; c--> Tq=600K, Tf=300K. Quais possuem o maior rendimento possível?

14 Ciclo Otto

15 Ciclos diversos Carnot (isotermas conectads por processos adiabáticos - processos revesíveis). Stirling (isotermas conectadas por processos isocóricos - processos reversíveis). Otto (processos isocóricos, conectados por processos adiabáticos - processos reversíveis). Qual o que possui maior eficiência teórica?

16 Exercício Considere um motor de Stirling, conforme o ciclo mostrado no quadro. A máquina usa n=8,1x10-3 moles de um gás ideal, operando entre reservatórios de alta e baixa temperaturas com Th=95C, e Tc=24C, e funcionado a taxa de 0,7 ciclos por segundo. Um ciclo consiste em uma expansão isotérmica (ab), uma compressão isotérmica, e dois processos de volume constante. (a) Qual o trabalho resultante da máquina, por ciclo? (b) Qual a potência da máquina? (c) Qual o calor transferido para o gás durante o ciclo? (d) qual a eficiência da máquina?

17 Refrigeradores (bombas de calor) O inverso de um motor; O trabalho é utilizado para transferir calor de um reservatório frio para um reservatório quente. Um refrigerador de Carnot é o mais eficiente pois opera por processos reversíveis. K = Q f W = Q f Q q Q f K = T f T q T f

18 Refrigeradores Perfeitos (...não existem) S = Q T f + Q T q Como podemos satisfazer a primeira e a segunda lei? Não é possível um série de processos cujo único resultado seja a transferência de energia sob forma de calor de um reservatório a uma d a d a t e m p e r a t u r a p a r a u m reservatório a uma temperatura mais alta.

19 Perguntas... É um dia muito quente de verão, e o condicionador de ar não está funcionando. Em sua cozinha, você tem um refrigerador funcionando e uma caixa completamente cheia de gelo. Qual deles você deve deixar aberto para refrigerar mais eficazmente o ambiente? Suponha que a temperatura dentro de uma casa é mantida a 300K, e a temperatura exterior no verão é 320K, e que o condicionador de ar mantém a cada a 300K. Mais tarde, durante o inverno, a temperatura exterior passa a ser de 280K, e o condicionador de ar mantém a temperatura a a 300K. Nos dois casos, a diferença de temperatura é 20K. A conta de energia elétrica do condicionador será maior no inverno ou no verão?