EM34F Termodinâmica A

Transcrição

1 EM34F Termodinâmica A Prof. Dr. André Damiani Rocha arocha@utfpr.edu.br

2 2 Direção dos Processos E experiência mostra que existe uma direção definida para os processos espontâneos: Caso A Um objeto a uma temperatura elevada T i colocado em contato com o ar atmosférico à temperatura T 0 eventualmente se resfriaria até atingir a temperatura das suas vizinhanças;

3 3 Direção dos Processos De acordo com o princípio da conservação da energia, o decréscimo de energia interna do corpo se traduziria por um aumento na energia interna da vizinhança; O processo inverso não correria espontaneamente, mesmo que a energia pudesse ser conservada: a energia interna das vizinhanças não diminuiria espontaneamente enquanto o corpo se aquecesse de T 0 até sua temperatura inicial.

4 4 Direção dos Processos Caso B O ar mantido a uma alta pressão p i em um tanque fechado escoaria espontaneamente para as vizinhanças a uma pressão mais baixa p 0 se a válvula fosse aberta; O processo inverso não ocorreria espontaneamente, mesmo que a energia pudesse ser conservada: o ar não retornaria espontaneamente para o tanque a partir das suas vizinhanças à pressão p 0, conduzindo a pressão ao seu valor inicial.

5 5 Direção dos Processos Caso C A massa suspensa por um cabo a uma altura z i cairia quando liberada, conforme mostra a figura; Quanto atingisse o repouso, a energia potencial da massa na sua condição inicial se transformaria em um aumento de energia interna da massa e de suas vizinhanças; O processo inverso não ocorreria espontaneamente, mesmo que a energia pudesse ser conservada: a massa não retornaria espontaneamente a sua altura inicial enquanto a sua energia interna ou a de suas vizinhanças diminuísse.

6 6 Direção dos Processos Em cada caso considerado, a condição inicial do sistema pode ser restabelecida, mas não através de um processo espontâneo. Alguns dispositivos auxiliares seriam necessários; Por estes dispositivos auxiliares o objeto poderia ser reaquecido até a sua temperatura inicial, o ar poderia ser retornado ao tanque e sua pressão inicial restabelecida, e a massa poderia ser erguida até a sua altura inicial;

7 7 Direção dos Processos Em casos elementares como os aqui discutidos, a experiência pode ser usada para deduzir se certos processos espontâneos ocorrem e quais seriam suas direções; Para casos mais complexos, em que falta experiência ou esta é imprecisa, seria útil uma linha de ação. Isto é fornecido pela.

8 8 Aspectos da A 2ª Lei e as deduções a partir dela são úteis para: o o o o o o prever a direção de processos; estabelecer condições para o equilíbrio; determinar o melhor desempenho teórico de ciclos, motores e outros dispositivos; avaliar quantitativamente os fatores que impedem a obtenção do melhor nível de desempenho teórico; definir uma escala de temperatura independente das propriedades de qualquer substância termométrica; desenvolver meios para avaliar propriedades tais como u e h em termos de propriedade que são mais fáceis de obter experimentalmente.

9 9 Enunciados da 2ª Lei Enunciado de Clausius: É impossível para qualquer sistema operar de maneira que o único resultado seria a transferência de energia sob a forma de calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente. O enunciado de Clausius não exclui a possibilidade de transferência de energia sob a forma de calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente, uma vez que é exatamente isto que os refrigeradores e bombas de calor; O enunciado sugere que, quando uma transferência de calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente, deve haver algum outro efeito dentro do sistema que transfere calor, nas sua vizinhanças, ou em ambos.

10 10 Enunciados da 2ª Lei Enunciado de Kelvin-Planck: É impossível para qualquer sistema operar em um ciclo termodinâmico e fornecer uma quantidade líquida de trabalho para as suas vizinhanças enquanto recebe energia por transferência de calor de um único reservatório térmico. O enunciado de Kelvin-Planck não exclui a possibilidade de um sistema desenvolver uma quantidade líquida de trabalho a partir de uma transferência de calor extraída de um único reservatório. Ele apenas nega esta possibilidade se o sistema percorrer um ciclo termodinâmico

11 11 Enunciado de Kelvin-Planck Restrição imposta pela 1ª Lei da Termodinâmica W Q liq liq Restrição imposta pela : direção da transferência de energia

12 12 Processos Irreversíveis Um processo é chamado de irreversível se o sistema e todas as partes que compõem suas vizinhanças não puderem ser restabelecidos exatamente aos seus respectivos estados iniciais após o processo ter ocorrido; Alguns processos irreversíveis:

13 13 Irreversibilidades Transferência de calor através de uma diferença finita de temperatura; Expansão não-resistida de um gás ou líquido até uma pressão mais baixa; Reação química espontânea; Mistura espontânea de matéria em estados ou composições diferentes; Atrito atrito de rolamento, bem como atrito no escoamento de fluidos; Fluxo de corrente elétrica através de uma resistência; Magnetização ou polarização com histerese; Deformação inelástica.

14 14 Processos Reversíveis O processo reversível se tanto o sistema quanto as vizinhanças puderem retornar aos seus estados iniciais. Processos reversíveis são puramente hipotéticos; Nenhum processo que envolva transferência de calor espontânea através de uma diferença finita de temperatura, uma expansão não-resistida de um gás ou líquido, atrito ou qualquer uma das outras irreversibilidades listadas anteriormente pode ser reversível.

15 15 - Ciclos Ciclos de Potência Eficiência do Ciclo de Potência W Q ciclo 1 H Q Q L H

16 16 - Ciclos Ciclos de Refrigeração/Bomba de Calor Coeficiente de Performance COP Q W L ciclo Q H QL Q L Q W H ciclo QH Q Q H L

17 17 - Ciclos Desempenho Máximo de Ciclos: Ciclos de Carnot Um ciclo de Carnot possui 4 processos básicos: 1. Um processo isotérmico reversível, no qual é transferido para ou do reservatório a alta temperatura; 2. Um processo adiabático reversível, no qual a temperatura do fluido de trabalho diminui desde a do reservatório a alta temperatura até a do outro reservatório; 3. Um processo isotérmico reversível, no qual calor é transferido para ou do reservatório a baixa temperatura; 4. Um processo adiabático reversível, no qual a temperatura do fluido de trabalho aumenta desde a do reservatório de baixa temperatura até a do outro reservatório.

18 18 - Ciclos Desempenho Máximo de Ciclos: Ciclos de Carnot

19 19 - Ciclos Desempenho Máximo de Ciclos: Ciclos de Carnot Escala de Temperatura Q Q L H rev T T L H

20 20 - Ciclos Desempenho Máximo de Ciclos: Ciclos de Carnot Desempenho máximo para um ciclo de potência operando segundo um ciclo de Carnot: TL Carnot 1 T Desempenho máximo para um refrigerador/bomba de calor operando segundo um ciclo de Carnot: H TL Carnot T T H L TH T T H L

21 21 Exemplo 01: Uma máquina térmica opera entre um reservatório térmico a 550 o C e o ambiente (300K). A taxa de transferência de calor do reservatório a alta temperatura para a máquina é 1MW e a potência da máquina, ou seja, a taxa de realização de trabalho, é 450kW. Calcule a taxa de transferência de calor para o ambiente e determine a eficiência desta máquina térmica. Compare estes valores com os relativos a uma máquina térmica de Carnot que opera entre os mesmos reservatórios térmicos.

22 22 Exemplo 02: Uma máquina de condicionamento de ar deve ser utilizada para manter um ambiente a 24 o C. A carga térmica a ser removida, deste ambiente, é igual a 4kW. Sabendo que o ambiente externo está a 35 o C, estime a potência necessária para acionar o equipamento.

23 23 - Ciclos A Desigualdade de Clausius A desigualdade de Clausius estabelece que para qualquer ciclo termodinâmico ou ainda, δq T b 0 δq T b = σ ciclo

24 24 - Ciclos A Desigualdade de Clausius δq T b = σ ciclo onde σ ciclo é a intensidade da desigualdade; Se σ ciclo = 0 ausência de irreversibilidades no sistema; Se σ ciclo > 0 presença de irreversibilidades no sistema; Se σ ciclo < 0 impossível;

25 25 Referências MORAN, Michael J.; SHAPIRO, Howard N. Princípios de termodinâmica para engenharia. 4. ed. Rio de Janeiro: LTC, p.