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Calor & Trabalho Termodinâmica. Em elaboração: Prof. Patrícia 2009. Termodinâmica. Estuda conversão entre calor e trabalho M T carro em movimento freando T M locomotiva a vapor ou um reator nuclear Queima de carvão fissão do urânio - PowerPoint PPT Presentation
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Calor & TrabalhoTermodinâmica
Em elaboração: Prof. Patrícia
2009
Termodinâmica
Estuda conversão entre calor e trabalho
M T carro em movimento freando
T M locomotiva a vapor ou um reator nuclear
Queima de carvão fissão do urânioCalor absorvido pela água, que provoca vaporizaçãoVapores em expansão, realizam trabalho mecânico
Energia mecânica
Energia térmica
Trabalho e calor trocado entre gás e o meio
Gás – sistema em estudo
Convenção de sinais:
W>zeroW<zero
Transformação
P1
V1
T1
U1
P2
V2
T2
U2
Estado 1 Estado 2
Transformação
Variáveis de estado Variáveis de estado
Processos Durante a transformação
Isotérmico T = constante (temperatura invariável)
Isobárico P = constante (Pressão invariável)
Isovolumétrico V = constante (volume constante)
Adiabático Q = 0 (troca de calor com a vizinhança é nula).
Processos“Caminho” descrito pelo sistema na transformação.
U = variação de energia interna
Energia Interna de um gás ideal U
U depende da quantidade de gás e de sua temperatura
1a Lei da Termodinâmica
Lei Geral da Conservação da Energia
Q = W + ΔU
W = 0
Processo isovolumétrico
U = Q - W
W = Po [VB-VA]
Processo isobárico
Êmbolo movimentado lentamente
∆U = 0 → ∆T=0
Primeira Lei: Q = W + ΔU
ΔU = Q – W Q = W
Termodinâmica - Processo Isotérmico
Movimento rápido do êmbolo.
W = - ∆U = - n·Cv·∆T
Primeira Lei da Termodinâmica
∆U = Q - WQ = 0 → ∆U= - W
Trabalho transforma-se em calor
O processo ocorre tão rapidamente que o sistema
não troca calor com o exterior.
Q = 0
WÁrea sob o gráfico
Termodinâmica - Processo adiabático
3.- W = W = área 12341
W > 0 → Q 0
O sentido do ciclo no diagrama PV : horário. O sistema recebe Q e entrega W
1a Lei da Termodinâmica∆U = Q – W
Q = W [no ciclo, ΔU = 0]
1.- ∆U = ∆U = 0 [no ciclo, Tfinal = Tinicial]
2.- Q = Q
Processos cíclicos – ciclo de Carnot
“Trabalham” em ciclos.
Máquinas Térmicas
A máquina de Denis Papin1647 - 1712
FONTE QUENTE
De onde a máquina retira calor
QHot.
FONTE FRIA
Para onde a máquina rejeita calor
QCold
Trabalho
W
Ciclo de Otto
Para ver um pouco mais:http://www.poli.br/arquivos/DOWNLOADS/RELAT%D3RIO%20DE%20ESTAGIO/ELETRONICA/Max%20Luiz/MOTOR%20DE%20CICLO%20OTTO.pdf
http://www.mspc.eng.br/termo/termod0520.shtml
Ciclo Diesel
Para ver um pouco mais:http://www.mspc.eng.br/termo/termod0520.shtml
Modelo dos reservatórios térmicos
Eficiência térmica: 1ªLei
Em cada ciclo
Eficiência = W/Q1= (Q1-Q2)/Q1
ε = [1 – Q2/Q1]
∆U = 0
W = Q1-Q2
Carnnot: é fundamental a diferença de temperatura para que a máquina térmica funcione.
Ciclo de Brayton - Introduçãohttp://www.mspc.eng.br/termo/termod0530.shtml
Também denominado ciclo de Joule, é o processo teórico dos motores de turbina a gás. A Figura apresenta dá o esquema básico.
Entre 1 e 2 o ar é comprimido de forma adiabática por um compressor tipo axial.
Entre 1 e 2 o ar é comprimido de forma adiabática por um compressor tipo axial.
Ao passar pelo queimador ou câmara de combustão (de 2 a 3), o ar se expande devido ao fornecimento de calor pelo processo de combustão. Isso ocorre supostamente sob pressão constante porque a forma construtiva da câmara oferece pouca resistência ao fluxo.
O ar aquecido pela combustão movimenta uma turbina num processo teoricamente adiabático (de 3 a 4).
Saindo da turbina, o ar troca calor com o ambiente num processo claramente isobárico.
Ciclo de Brayton
Compressor e turbina são montados no mesmo eixo, de forma que uma parte do trabalho fornecido é usado no próprio processo de compressão.
Turbinas a gás são usadas principalmente em aviões e na geração de energia elétrica, mas há também embarcações e mesmo veículos terrestres com esse tipo de motor.
Portanto, o trabalho produzido pode ser extraído em forma de acionamento mecânico ou fluxo de ar no caso de uma turbina aeronáutica.
Ciclo RankineCiclos termodinâmicos usuais para fornecer
trabalho: Otto, Diesel, Brayton. Uma característica comum desses ciclos é o
contato direto da combustão com o gás de operação (ar). Isso demanda o emprego de combustíveis nobres, no estado líquido ou gasoso, como gasolina, álcool, óleo diesel, querosene, gás natural.
Naturalmente, motores Otto, Diesel ou turbinas a gás não podem ser usados quando o calor é oriundo da queima de combustíveis sólidos ou residuais, como carvão, lenha, bagaço, óleo pesado, etc.
Para esses casos, o vapor d'água é a alternativa padrão: o combustível é queimado numa caldeira que produz vapor que, por sua vez, produz trabalho utilizável.
Vapor é também utilizado no caso especial da fonte de calor ser uma reação de fissão atômica, ou seja, em usinas nucleares.
A Figura dá o esquema simplificado de uma instalação para produzir trabalho a partir do vapor: na maioria das vezes é usada uma máquina tipo turbina, acionada pelo vapor produzido pela caldeira (ou gerador de vapor).
http://www.mspc.eng.br/termo/termod0540.shtml
650 K
400 K
Qual é o rendimento máximo possível de uma máquina térmica que opere entre as fontes de 650 K e 400 K?
ε = 1 - T2/T1 = 1 – [400/650] = 0,61 ou = 61%
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