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Degradação de energia e rendimento 14 Anjo Albuquerque

Degradação de energia e rendimento 15 Anjo Albuquerque

Módulo inicial Degradação de energia e rendimento

Rendimento

Tipos de equilíbrio Se os sistemas estiverem em contacto térmico Após a interação T1 = T2 Térmico Químico Se houver transferência de corpúsculos entre sistemas reagentes Mecânico Se os sistemas interatuarem mecanicamente, realizando trabalho 30 Anjo Albuquerque

Equilíbrio Termodinâmico Quando se atingem, simultaneamente, todos os equilíbrios entre o sistema e a sua vizinhança. 31 Anjo Albuquerque

Equilíbrio Térmico Os corpos estão constantemente a emitir radiação e a receber radiação de tudo o que os rodeia. Se um corpo emitir maior quantidade de energia por radiação do que absorve, a sua temperatura diminui, e a temperatura da vizinhança aumenta. Quando o corpo emite tanta energia como aquela que absorve, a sua temperatura estabiliza e diz-se que atingiu o equilíbrio térmico (as potências de radiação absorvida e emitida são iguais). 32 Anjo Albuquerque

Lei zero da Termodinâmica Quando todos os corpos estão em equilíbrio térmico, as suas temperaturas são iguais. Lei zero da termodinâmica Se dois sistemas estiverem em equilíbrio térmico com um terceiro, também estão em equilíbrio térmico entre si. 33 Anjo Albuquerque

Equilíbrio Térmico e Radiação Colocar 3 latas num recipiente termicamente isolado. Ao fim de algum tempo todos os corpos estão à mesma temperatura. Porém todos os corpos continuam a radiar energia. As respetivas taxas de absorção e de emissão de radiação são iguais. A potência irradiada (emissão) por um corpo é igual à potência que esse corpo absorve (absorção) da sua vizinhança como radiação. 34 Anjo Albuquerque

1ª Lei da Termodinâmica Na maioria dos sistemas que interessam à termodinâmica não há macroscopicamente variação de energia cinética nem de energia potencial. Há transformações de energia que se podem traduzir apenas POR VARIAÇÃO DE ENERGIA INTERNA DOS SISTEMAS E int = W + Q + R 1ª Lei da Termodinâmica OU LEI DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA Relaciona as energias que transitam do sistema para o exterior, ou vice-versa e a consequente variação de energia interna. 35 Anjo Albuquerque

TERMODINÂMICA A energia interna de um sistema isolado é uma constante pelo que a E int = 0 Sistema isolado A energia interna de um sistema não isolado não é uma constante pelo que a E int = W + Q + R Sistema não isolado Ao escrevermos a 1ª Lei estamos a admitir uma convenção de sinais: Quando entra energia no sistema seja sob a forma de W, Q ou R estes são positivos pois fazem aumentar a E int >0. Quando sai energia do sistema, então Q, W ou R são negativos e E int <0. 36 Anjo Albuquerque

TRANSFERÊNCIAS DE ENERGIA PARA UM SISTEMA

CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E VARIAÇÃO DE ENTALPIA Vimos que a energia transferida como calor entre dois sistemas se não ocorrer mudança de fase era dada por: Q = m c T c - capacidade térmica mássica C = m c C - capacidade térmica Q = C T E se ocorrer mudança de fase? Como calcular, por exemplo, a energia necessária para a água passar do estado sólido para o estado líquido e desta para o estado gasoso? E = m H H - Variação de entalpia

CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E VARIAÇÃO DE ENTALPIA H - Quantidade de energia recebida ou cedida pela unidade de massa de uma substância ou material para que sofra uma mudança de estado físico variação de entalpia

Qualquer transferência de energia conduz a diminuição de energia útil, apesar da energia total se manter constante, pois uma parte deixa de estar disponível para a realização de trabalho. A segunda lei da Termodinâmica prevê esta degradação. Os processos que ocorrem espontaneamente na Natureza dão-se no sentido da diminuição da energia útil.

DEGRADAÇÃO DA ENERGIA 2ª LEI DA TERMODINÂMICA A máquina a vapor o avião e o canhão são exemplos de máquinas térmicas. Realizam trabalho a partir de transferências de energia. No entanto em qualquer destas situações há degradação de energia. A quantidade de energia fornecida é superior à quantidade de energia produzida. Para que um sistema realize trabalho é necessário fornecer-lhe energia.

MÁQUINAS TÉRMICAS James Watt 1736-1819 Físico Escocês A locomotiva a vapor é uma máquina térmica. Tem por base os princípios desenvolvidos por James Watt. Trabalho Útil Ambiente O carvão é queimado na fornalha. O calor libertado aquece a água contida numa caldeira até à ebulição. O vapor de água produzido faz movimentar um êmbolo que está associado às rodas da locomotiva, permitindo o seu movimento. Os gases que se libertam da queima do carvão saem pela chaminé.

POSTULADO DE KELVIN 2ª LEI DA TERMODINÂMICA Transformações semelhantes à do exemplo dado levaram William Thomson (Lord Kelvin) a formular o seguinte postulado. POSTULADO DE KELVIN Nenhum sistema termodinâmico, que funcione de modo cíclico pode transferir calor de uma única fonte, transformando-o integralmente em trabalho. Este postulado é um dos possíveis enunciados da 2ª Lei da Termodinâmica. A locomotiva a vapor é uma aplicação desta Lei. Físico Irlandês

MÁQUINAS TÉRMICAS Um dos principais objetivos de quem constrói uma máquina térmica, é que esta tenha o maior rendimento possível.

POSTULADO DE CLAUSIUS 2ª LEI DA TERMODINÂMICA POSTULADO DE CLAUSIUS É impossível transferir calor, espontaneamente, de um sistema a temperatura mais baixa para outro sistema a temperatura mais alta. Físico Alemão Quando se adiciona o chocolate quente ao gelado, o calor transfere-se, espontaneamente, num único sentido: do chocolate para o gelado até se atingir o equilíbrio térmico.

2ª LEI DA TERMODINÂMICA Só é possível transferir calor de uma fonte fria para uma fonte quente através da realização de trabalho. Ex: frigorífico, arcas congeladoras e bombas de calor.

2ª LEI DA TERMODINÂMICA A eficiência de uma máquina frigorífica é o quociente entre a energia sob a forma de calor que sai da fonte fria, Q f, e o trabalho necessário para realizar essa transferência de energia. Pode ser superior a 1. A eficiência típica de uma máquina frigorífica varia entre 4 e 6. Uma eficiência igual a 5, significa que o frigorífico retira 5 J de energia da fonte fria (interior do frigorífico) para a fonte quente (exterior), por cada 1 J de energia elétrica que consome.

ENTROPIA 2ª LEI DA TERMODINÂMICA A quase totalidade dos fenómenos que ocorrem são irreversíveis.

ENTROPIA 2ª LEI DA TERMODINÂMICA Em 1865, Clausiús estabeleceu uma lei que necessitou da definição de uma nova variável de estado termodinâmica ENTROPIA e que mede a desordem que ocorre na estrutura de um sistema à medida que este evolui. A quase totalidade dos fenómenos que ocorrem são irreversíveis.

2ª LEI DA TERMODINÂMICA LEI DA NÃO DIMINUIÇÃO DA ENTROPIA Um corpo quente em contacto com um corpo frio não pode aquecer. Físico Irlandês A entropia de um sistema isolado não pode diminuir. A entropia do universo nunca diminui Nos processos espontâneos, há diminuição de energia útil.

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