Maquinas Termicas Aula 2

MÁQUINAS TÉRMICAS

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AULA 2

MÁQUINAS TÉRMICAS

CICLO CARNOT

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CICLO CARNOT

O Ciclo de Carnot é o ciclo reversível executado

pela Máquina de Carnot e que tem funcionamento

apenas teórico.

Em um ciclo reversível não há perda de

trabalho nem calor.

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CICLO CARNOT

O ciclo de Carnot é ideal, constituído de dois

processos isotérmicos reversíveis e dois processos

adiabáticos também reversíveis.

• O processo isotérmico é aquele que ocorre a temperatura constante.

• O processo adiabático é definido como aquele em que não há troca de

calor entre o sistema e o meio.

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CICLO CARNOT

O rendimento da Máquina de Carnot é o máximo que

uma máquina térmica trabalhando entre dadas temperaturas

da fonte quente e da fonte fria pode ter.

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CICLO DE CARNOT - ANALOGIA PRÁTICA

Seja uma máquina

térmica conforme figura

ao lado:

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Seja uma máquina

térmica primitiva e pouco

prática conforme figura ao

lado:

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Um cilindro com paredes

laterais de material perfeitamente

isolante com um êmbolo também

isolante perfeito.

O fundo do cilindro é de

material perfeitamente condutor de

calor e de massa desprezível. Uma

determinada massa de um gás ideal

ocupa o interior.

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Supõe-se ainda que há 3 discos

móveis que podem ser postos em contato com

o fundo do cilindro:

• um disco fonte quente com temperatura TQ.

• um disco fonte fria com temperatura TF.

• um disco isolante térmico perfeito.

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Inicialmente o gás tem um volume

específico v1, como em (1) da figura .

Se é usado o disco quente, ele se

expande isotermicamente.

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Ao atingir o volume específico

v2 de (2) da figura, retira-se o disco

quente e coloca-se o disco isolante.

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Assim, a expansão continua, desta

vez de forma adiabática, até atingir um

volume específico v3, como em (3) da figura.

Nesse ponto, coloca-se o disco frio e

o gás deverá sofrer uma contração

isotérmica.

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Em (4) da figura o gás atinge o volume

específico v4, quando se insere o disco

isolante e a contração deverá continuar de

forma adiabática até o volume inicial v1,

reiniciando o ciclo.

Há, portanto, seqüências alternadas

de transformações isotérmicas e adiabáticas.

E o movimento do pistão produz um trabalho

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As figuras a seguir mostram o diagrama p-v de um

ciclo de energia Carnot em que o sistema é um gás em

um conjunto pistão-cilindro.

CICLO CARNOT

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Os processos A-B e C-D são

isotérmicos reversíveis, com

temperaturas iguais a TH e TL,

respectivamente.

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Os processos B-C e D-A são

adiabáticos reversíveis.

Nesses processos, as trocas de calor

são, respectivamente, QL e QH

CICLO CARNOT

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A área 1 2 3 4, no plano P-V,

representa o trabalho líquido trocado.

CICLO CARNOT

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No sentido ABCD, o ciclo é de

potência e o trabalho líquido é

positivo.

CICLO CARNOT

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No sentido ADCB, o ciclo é

frigorífico e o trabalho líquido é

negativo, o que é possível, já que o

ciclo é reversível.

CICLO CARNOT

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No Ciclo de Carnot, só há troca de

calor nos processo isotérmicos (A-B e C-D):

AQB =QH e CQD = QL

CICLO CARNOT

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MÁQUINA DE CARNOT

Toda máquina térmica opera segundo um ciclo.

Isto é, consiste de um conjunto de equipamentos

dispostos de tal maneira que o fluido de trabalho ao sair

do último e entrar no primeiro descreve um ciclo

termodinâmico.

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MÁQUINA DE CARNOT

Quando este Ciclo é o de Carnot, a máquina é

chamada Máquina de Carnot. Como o ciclo é reversível,

a máquina também é reversível.

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MÁQUINA DE CARNOT

A máquina pode operar como Instalação de

Potência ou como Instalação Frigorífica, bastando

inverter o fluxo do fluido de trabalho.

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Assim, se o ciclo de Carnot

se realiza no sentido A B C D, a

máquina é uma instalação de

potência, no sentido inverso tem-

se uma instalação frigorífica.

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MÁQUINA DE CARNOT

A figura abaixo mostra o esquema de uma instalação

simples de potência a vapor, acompanhado do diagrama p-v de um

ciclo de Carnot executado pela água que circula constantemente

através de quatro componentes interligados.

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MÁQUINA DE CARNOT

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MÁQUINA DE CARNOT

Como a água flui através da caldeira, uma mudança de

fase de líquido para vapor na temperatura TH constante ocorre

como resultado da transferência de calor do reservatório quente.

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MÁQUINA DE CARNOT

Uma vez que a temperatura permanece constante, a

pressão também permanece constante durante a mudança de fase.

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O vapor sai da caldeira e expande adiabaticamente através

da turbina realizando trabalho. Neste processo, a temperatura

diminui para temperatura do reservatório frio TL, e há uma diminuição

na pressão.

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Enquanto o vapor passa através do condensador, ocorre

uma transferência de calor para o reservatório frio e parte do vapor

se condensa a temperatura constante TL.

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Uma vez que a temperatura permanece constante, a

pressão também se mantém constante, enquanto a água passa

através do condensador.

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O quarto componente é uma bomba ou compressor, que

recebe do condensador a mistura líquido-vapor e o devolve,

adiabaticamente, na entrada da caldeira.

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Durante este processo, que requer o fornecimento de

trabalho para aumentar a pressão, a temperatura aumenta de TL

para TH.

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MÁQUINA DE CARNOT

A máquina de Carnot e o ciclo de Carnot são

ideais, ou seja, constituem modelos que servem de

paradigmas, respectivamente, para as máquinas e para

os ciclos reais.

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A utilidade da Máquina de Carnot é

descobrir se uma máquina térmica tem bom rendimento,

para assim ver se seu custo em é viável para a indústria.

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As quantidades de calor trocadas em uma máquina

de Carnot são proporcionais às temperaturas absolutas

das fontes térmicas ou reservatórios térmicos.

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TH é a temperatura da fonte quente;

TL é a temperatura da fonte fria;

QH é a energia útil;

QL é a energia dissipada

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MÁQUINA DE CARNOT

A eficiência de uma Máquina de Carnot (η)

depende exclusivamente das temperaturas absolutas das

fontes ou reservatórios térmicos, quer a máquina esteja

operando como Instalação de Potência ou Frigorífica.

EFICIÊNCIA

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MÁQUINA DE CARNOT

Todas as máquinas de Carnot que operam entre

duas fontes de temperaturas constantes (TH e TL) têm a

mesma eficiência.

EFICIÊNCIA

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MÁQUINA DE CARNOT

De todas as máquinas que operam entre as

mesmas fontes de temperaturas constante, as de Carnot

apresentam a máxima eficiência.

EFICIÊNCIA

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EFICIÊNCIA

INSTALAÇÃO DE POTÊNCIA (IP)

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MÁQUINA DE CARNOT

EFICIÊNCIA

INSTALAÇÃO DE POTÊNCIA (IP)

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MÁQUINA DE CARNOT

REFRIGERADORES (R)

Em um ciclo de refrigeração padrão por compressão

(geladeira, ar-condicionado), existem basicamente quatro

componentes:

Compressor

Condensador

Dispositivo de Expansão

Evaporador.

INSTALAÇÃO FRIGORÍFICA

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REFRIGERADORES (R)

O fluido refrigerante na

forma de líquido saturado passa

pelo dispositivo de expansão

(restrição), aonde é submetido a

uma queda de pressão brusca.

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REFRIGERADORES (R)

Então o fluido é conduzido

pelo evaporador, que absorverá

calor do ar do ambiente a ser

refrigerado, vaporizando-se.

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REFRIGERADORES (R)

Na saída do evaporador, na

forma de gás ele é succionado pelo

compressor, que eleva sua pressão (e

temperatura).

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REFRIGERADORES (R)

É conduzido através do

condensador, que cederá calor ao

ambiente externo, condensando o fluido e

completando o ciclo.

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EFICIÊNCIA Coeficiente de desempenho, ou Coeficiente de Performance (COP)

REFRIGERADORES

BOMBA DE CALOR

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EXERCÍCIO

1. Calcular a eficiência térmica de um motor térmico ciclo

Carnot operando entre reservatórios em 300ºC e 45ºC.

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GABARITO

1. Calcular a eficiência térmica de um motor térmico ciclo Carnot operando entre

reservatórios em 300ºC e 45ºC.

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EXERCÍCIO

2. Em alguns lugares onde o ar

é muito frio no inverno, como

por exemplo -30ºC, é possível

encontrar uma temperatura de

13ºC embaixo da terra. Que

eficiência vai ter um motor

térmico operando entre estes

dois reservatórios térmicos?

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GABARITO

2. Em alguns lugares onde o ar é muito frio no inverno, como por exemplo -30ºC.

Nestes lugares é possível encontrar uma temperatura de 13ºC embaixo da terra.

Que eficiência vai ter um motor térmico operando entre estes dois reservatórios

térmicos?

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EXERCÍCIO

3. Um carro motor consome 5 kg de

combustível (equivalente à soma dos QH)

a 1500 K e rejeita energia para o radiador

e os gases de escape a uma temperatura

média de 750 K. Se o combustível

fornece 40 000 kJ / kg, qual a quantidade

máxima de trabalho que o motor pode

fornecer?

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GABARITO

3. Um carro motor consome 5 kg de combustível (equivalente à soma dos QH) a 1500 K e rejeita

energia para o radiador e os gases de escape a uma temperatura média de 750 K. Se o

combustível fornece 40 000 kJ / kg, qual a quantidade máxima de trabalho que o motor pode

fornecer?

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EXERCÍCIO

4. A diferença de temperatura existente

entre as águas superficiais e as águas

profundas pode ser utilizada para a

geração de energia. Propõe-se construir

um motor térmico cíclico que irá operar

perto Havaí, onde a temperatura do

oceano é de 20ºC perto da superfície e

5ºC a alguma profundidade. Qual é a

eficiência térmica deste motor térmico?

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GABARITO

4. A diferença de temperatura existente entre as águas superficiais e as águas profundas pode

ser utilizada para a geração de energia. Propõe-se construir um motor térmico cíclico que irá

operar perto Havaí, onde a temperatura do oceano é de 20ºC perto da superfície e 5ºC a alguma

profundidade. Qual é a eficiência térmica deste motor térmico?

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EXERCÍCIO

5. Encontre a eficiência

(Coeficiente de eficácia,

Coeficiente de desempenho, ou

(COP) Coeficiente de

Performance) para a geladeira em

sua cozinha, admitindo que é

executado em um ciclo Carnot.

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GABARITO

5. Encontre a eficiência (Coeficiente de eficácia, Coeficiente de desempenho, ou (COP)

Coeficiente de Performance) para a geladeira em sua cozinha, admitindo que é executado em um

ciclo Carnot.

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EXERCÍCIO

6. Uma máquina cíclica recebe

325 kJ energia de um

reservatório a 1000 K. Rejeita

125 kJ para um reservatório a

400 K e produz um trabalho de

200 kJ. Este ciclo é possível?

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GABARITO

6. Uma máquina cíclica recebe 325 kJ energia de um reservatório a 1000 K. Rejeita 125 kJ para

um reservatório a 400 K e produz um trabalho de 200 kJ. Este ciclo é possível?

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EXERCÍCIO

7. Um inventor criou uma unidade

de refrigeração que mantém o

espaço frio a -10C, enquanto que

operam em uma sala de 25ºC.

Segundo o inventor, esta unidade

de refrigeração apresenta um

coeficiente de desempenho de 8,5.

Isto é possível?

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GABARITO 7. Um inventor criou uma unidade de refrigeração que mantém o espaço frio

a -10ºC, enquanto que operam em uma sala de 25ºC. Segundo o inventor,

esta unidade de refrigeração apresenta um coeficiente de desempenho de

8,5. Isto é possível?

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