TE T R E M R O M D O I D NÂ N M Â I M CA C Prof. Rangel

Transcrição

1 TERMODINÂMICA Prof. Rangel

2 Conceito de termodinâmica É a área da física que estuda as causas e os efeitos das mudanças de temperaturas (volume e pressão) em sistemas termodinâmicos. Termodinâmica Termo Dinâmica temperatura movimento Estuda as transformações de energia; variações de energia térmica em trabalho util (movimento util) Conversão entre calor e trabalho. Maquinas térmicas Motores a vapor; Motores de combustão interna; Refrigeradores;

3 Contexto histórico A primeira máquina térmica surgio na grécia, criada por Heron de Alexandria (eolípila) Antes mesmo da termodinâmica surgiram as máquinas térmicas a vapor. Em 1712 o engenheiro Thomas Newcomem construiu a primeira máquina a vapor para retirada de água das minas de carvão Em 1765 o mecânico escosês James Watt aperfeiçoou a méquina de Newcomem tornando-o mais eficiente deflagra a revolução industrial

4 Primeiras máquinas térmicas (Revolução Industrial) Modelo portátil da máquina de James Watt utilizada em bombas e acinamento de teares

5 Motor a vapor de dupla ação utilizado nas locomotivas a vapor. Admissão de vapor quente Exaustão de vapor frio Correia detransmissão (acionamento de máquinas) volante Cilíndro e pistão

6 Motor a vapor de dupla ação em uma locomotiva (acoplado ao eixo de manivelas). Motor a vapor

7 Relação trabalho calor Trabalho positivo: sistema (gás) executa trabalho sobre o ambiente Trabalho negativo: ambiente executa trabalho sobre o sistema (gás). τ > 0 τ < 0 +Q p -Q gás p Gás é aquecido (recebe calor) e expande empurrando o pistão Gás é resfriado (perde calor) e comprimeido pelo pistão τ = p. V Trabalho: pressão do gás x variação de volume

8 Primeira Lei da Termodinâmica A variação de energia interna de um gás U, num processo termodinâmico, é dado pela diferença entre a qauntidade de calor Q tracada com o meio e o trabalho τ realizado no processo τ U U = Q - τ ou +Q U gás τ = Q - U O trabalho realizado por um gás depende da quantidade de calor absorvido ou perdido por este gás descontando deste calor o que o gás absorveu para aumentar sua energia térmica -Q

9 Transformação Cíclica (sentido horário) τ > 0 É a transformação em que o sistema retorna ao seu estado inicial após uma compressão e/ou expansão p +Q p τ > 0 τ < 0 v -Q p O ciclo térmico do gás gera um movimento de sobe e desce no pistão; movimento utilizado para acinamento mecânico

10 Segunda Lei da Termodinâmica É impossível a construção de uma máquina térmica que opere em ciclos, tendo como efeito único retirar calor de uma fonte térmica e converte-la integralmente em trabalho τ. Fonte quente T 1 A máquina térmica retira calor Q 1 de uma Q 1 Máquina térmica τ fonte quente a temperatura T 1. Parte deste calor Q 2 é convertido em trabalho e outra parte é rejeitada para uma fonte fria a T 2 τ = Q 1 Q 2 Q 2 Nenhuma máquina térmica pode converter 100% do calor recebido da fonte quente em trabalho. Fonte fria T 2

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12 Refrigerador O refrigerador é uma máquina térmica que trabalha no sentido inverso a segunda lei da termodinâmica, ou seja, retira calor de uma fonte fria e devolve a uma fonte quente (sentido inverso a propagação natural de calor). Como este processo não acontece naturalmente é preciso executar trabalho. Fonte quente T 2 Gás refrigerante Q 2 em expansão endotérmica. τ compressor Gás comprimido Liquefeito (compressor exerce trabalho sobre o gás) Q 1 Fonte fria T 1 Gás comprimido liquefeito perde calor na Serpentina.

13 Rendimento de uma máquina térmica (η) O rendimento de uma máquina térmica é fornecido pela equação: Nenhuma máquina térmica consegue ter um rendimento superior a uma Máquina de Canot (máximo rendimento para uma máquina térmica operando entre as temperaturas T 1 e T 2 ) A máquina térmica de Carnot foi idealizada Nicolas Sadi Carnout em sua máquina teórica aperava com cliclos térmicos de gás ideal

14 Motores de combustão interna São chamados motores de combustão interna as máquinas térmicas cujo o combustível é queimado dentro do cilíndo a fonte quente é gerada dentro do cilíndro. Motores de carros, motos e similares que operam no Ciclo Diesel e Ciclo Otto Motor de 4 tempos operando no Ciclo Otto Vela de ignição Válvulas Duto de exaustão Duto de admissão 1 Admissão da mistura de ar + combustível vaporizado (gasolina e álccol) 2 Compressão da mistura até o ponto morto superior do pistão; 3 Explosão da mistura pela faisca da vela; 4 Exaustão dos gases da combustão;

15 Ciclo termodinâmico do motor de 4 tempos (ciclo padrão de ar Otto) AB Compressão adiabática: compressão da mistura de ar e combustível a alta temperatura; BC Aquecimento isocórico: fonte térmica (faísca da vela) eleva instantâneamente a pressão dos gases sem que ocorra o deslocamento do pistão; CD Expanssão adiabática: expansão brusca dos gases quentes empurrão o pistão para baixo; p C DA Expanssão isocórica (volume constante): abertura do escapamento provoca rapida baixa de pressão (exaustão dos gases da combustão) B D A v

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17 Motor de 2 tempos Bloco; Duto de exaustão; Mistura de ar e combustível;