Físico-Química I Profa. Dra. Carla Dalmolin Luísa Rosenstock Völtz Máquinas Térmicas Segunda Lei da Termodinâmica Ciclo de Carnot Refrigeração
Máquina Térmica Uma máquina térmica converte parte da energia molecular aleatória do fluxo de calor em energia mecânica macroscópica Fonte quente : temperatura do reservatório quente q h : Energia em forma de calor que é transferida para a máquina térmica Fonte Fria : temperatura do reservatório frio q c : calor perdido pela máquina para o reservatório frio
Segunda Lei da Termodinâmica Trata da espontaneidade dos processos Não é possível um processo que tenha como único resultado a absorção de calor e sua completa conversão em trabalho Calor fornecido Trabalho q 1 = w q 2 Calor perdido Fluxo de energia Fonte de Calor Calor q 1 Energia ordenada Desordem molecular Trabalho (w) Máquina Calor q 2
Máquina a Vapor
Usina Termoelétrica
Eficiência Fonte Quente Relação entre o trabalho efetuado por uma máquina térmica e a energia recebida em forma de calor q h w A eficiência de uma máquina é maior quanto maior for o trabalho efetuado a partir do calor recebido q c η = trabalho efetuado calor recebido Sumidouro Frio η = w q h = q h q c q h = 1 q c q h Máquina Térmica q c q h < 1 0 < η < 1
Princípio de Carnot Nenhuma máquina térmica pode ser mais eficiente que uma máquina térmica reversível quando ambas operam entre o mesmo par de temperatura e A quantidade máxima de trabalho produzido a partir de um fornecimento de calor é obtida com uma máquina reversível η irrev η rev Máquina de Carnot: máquina térmica ideal que apresenta rendimento máximo Procedimento mais eficaz para produzir trabalho a partir de dois reservatórios térmicos A eficiência de uma máquina de Carnot depende apenas das temperaturas de trabalho: e η = f(, )
Ciclo de Carnot Ciclo reversível de duas etapas isotérmicas em diferentes temperaturas e duas etapas adiabáticas Determinação de η = f(, ) Etapa 1: Absorção de calor q h de um reservatório em Se o processo é reversível, a temperatura do gás deve permanecer em Processo isotérmico: ΔU = 0 O gás deve se expandir e realizar trabalho igual ao calor absorvido Expansão isotérmica reversível Etapa inversa: Liberação de calor q c para um reservatório em Compressão isotérmica reversível <
Pressão, p Ciclo de Carnot Se só ocorre transferência de calor entre as temperaturas e, as etapas que unem os dois processos isotérmicos devem ser adiabáticas 1. Expansão Isotérmica Reversível de A B, a S 1 = q h, onde q h é o calor fornecido ao sistema 2. Expansão Adiabática Reversível de B C Não há troca de calor: S 2 = 0 Na expansão, a temperatura cai de 3. Compressão Isotérmica Reversível de C D, a A energia é liberada para a vizinhança na forma de calor (-q c ) S 3 = q c 4. Compressão Adiabática Reversível de D A S 4 = 0; com elevação de temperatura de Adiabática Adiabática S total = q h + q c = 0 Isotermas
Ciclo de Carnot num Gás Perfeito Pressão, p Para um gás perfeito, a energia transferida como calor durante uma etapa isotérmica é: q h = nr ln V B V A q c = nr ln V D V C Para um processo adiabático reversível, V é constante (c = capacidade específica) V A c = V D c V C c = V B c V A c V C c = V D c V B c V A V B = V D V C Adiabática q c = nr ln V D V C = nr ln V A V B = nr ln V B V A q h q c = nr ln V B VA nr ln V = B VA ou q h = q c Adiabática Do ciclo de Carnot: η = 1 Isotermas
Exercícios Propostos Uma máquina térmica opera segundo o ciclo de Carnot entre as temperaturas de 500K e 300K, recebendo 2 000J de calor da fonte quente. Qual é o trabalho realizado pela máquina? Qual é o calor rejeitado para a fonte fria?
Exercícios Propostos Uma planta que gera potência, com capacidade nominal de 800.000 kw, produz vapor d'água a 585 K e descarrega calor para um rio a 295 K. Se a eficiência térmica da planta é 70% do valor máximo possível, que quantidade de calor é descarregada para o rio na operação com a capacidade nominal?
Máquinas Térmicas e o Ciclo de Carnot Ciclo de Carnot: reversível Máquina de Carnot: produz w rev η = w rev q h, w rev = w max Nenhuma máquina é mais eficiente que a máquina de Carnot η 1 η = 1 Sempre haverá perda de calor para uma fonte fria: η < 1
Refrigeração Transferência de calor de um reservatório frio para um sumidouro quente Fonte Quente ΔS t = ΔS c + ΔS h ΔS t < 0 ΔS h = q c ΔS c = q c > ΔS h < ΔS c q c Processo não espontâneo O aumento de entropia na fonte quente não é suficiente para compensar a perda de entropia no reservatório frio Reservatório Frio
Refrigeração Para que a refrigeração seja possível, é necessário aumentar a entropia da fonte quente Injeção de energia em forma de trabalho q c Fonte Quente w q c q h = w + q c q h = w + q c Reservatório Frio w
Coeficiente de Desempenho O desempenho de um refrigerador é medido pela quantidade mínima de trabalho necessário para uma transferência de calor c = energia transferida como calor energia transferida como trabalho = q c w Onde q h = q c + w, ou w = q h q c Normalmente utiliza-se 1 c 1 c = w q c = q h q c q c 1 c = 1 ou c = = q h q c 1