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Termod

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Borgnakk

e,

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2 Lei da Termodinmica

Qual a direo do processo

espontneo?

TRABALHO < 0Quando executado sobre o sistema.

CALOR < 0Quando liberado pelo sistema.

Motor Trmico

Sistema realiza trabalho (W > 0) durante um ciclotermodinmico devido transferncia de calor para osistema (Q > 0).

Bomba de Calor

Trabalho realizado sobre o sistema (W < 0) durante umciclo termodinmico para que calor seja transferido do corpo

a baixa temperatura para um corpo a alta temperatura.

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Termod

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Realiza trabalho sobre as vizinhanas (W > 0).

1 Lei: = ento o calor foi transferido para osistema > 0 e = durante o ciclo. devido queima de combustvel. devido ao resfriamento com gua.

=acionamento da bomba + utilizvel.

Ex.: Termoeltricas, usinas nucleares, motores combusto, cortadores de grama e etc.

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Rendimento

Pode-se usar o motor para fazer > 0.Retirar calor de uma fonte A e coloc-lo numafonte B quando < .

REFRIGERAO (bomba de calor)

Retira calor da fonte fria (Q > 0) mediantetrabalho introduzido no sistema (W < 0).

= 100% =trabalho produzido pelo sistemacalor transferido para o sistema =

=

= 1

35% a 40% (20% para pequenos motores)Eficincia Trmica (motores)

Coeficiente de desempenho ou coeficiente de eficcia (bombas)

= energia retirada da fonte friaenergia gasta = =

=

1 1

Reservatrio trmico ( 0)FONTE e SORVEDOURO

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Eficincia Trmica

A potncia no eixo do motor de umautomvel 136 HP e a eficincia trmica 30%. Sabendo que a queima do combustvelfornece 35000 kJ/kg ao motor, determine ataxa de transferncia de calor para oambiente e a vazo mssica de combustvelconsumido em kg/s.

Soluo:

= 136 0,7355 = 100 =

=

1000,3 = 333

Aplicando a 1 Lei:

= = 1 0,3 = 233

A vazo mssica obtido por:

= = 333 35000 / =0,0095 /

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A potncia eltrica consumida no acionamento deum refrigerador domstico 150 W e o equipamentotransfere 400 W para o ambiente. Determine a taxade transferncia de calor no espao refrigerado e o

coeficiente de desempenho do refrigerador.

Regime permanente e porta fechada.

= = 400 150 = 250

= =

250150 =1,67

Coeficiente de Desempenho

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impossvel construir um dispositivo que opere

num ciclo termodinmico e que no produza outrosefeitos alm do levantamento de um peso e troca de

calor usando um nico reservatrio trmico.

Kelvin-Planck

No h eficincia trmica de 100 % (

< )

necessrio um 2 reservatrio para receber !

impossvel construir um dispositivo que opere

num ciclo termodinmico e que no produza outros

efeitos alm da transferncia de calor de um corpo

frio para um corpo quente.

Clausius

No h coef. de desempenho infinito ( < )

necessrio realizar trabalho, , sobre o sistema!

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I. 2 Lei tem evidenciaexperimental.

II. Os enunciados so equivalentes

VERDADE ou VIOLAO de umimplica na do outro.

III. impossvel construir ummoto-perptuo (2 espcie).

o

o

p

p

u

1 espcie: cria

(ou

e

) violando

a 1 Lei da Termodinmica.

2 espcie: viola a 2 Lei daTermodinmica.

3 espcie: no tem atrito, no produz

e opera indefinidamente (bola e=1).

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Reversibilidade

Com passos infinitesimalmente pequenos possvel reverter osistema ao ponto inicial sem que sistema e vizinhanas sejamalterados.

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Reversibilidade

O que torna um determinado processo irreversvel ?

ATRITO: Vizinhanas no retornam ao estadoinicial no fim do processo inverso, pois nohouve transferncia de calor das vizinhanas parao sistema nesta etapa.

EXPANSO LIVRE: preciso realizar

trabalho sobre o sistema que por sua vez liberacalor para as vizinhanas.

1 : Dois corpos com temperaturasdiferentes entram em equilbrio trmico aps ocontato. Somente realizando trabalho sobre osistema pode-se reverter o processo.

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Reversibilidade

MISTURA DE SUBSTNCIAS: necessriorealizar trabalho sobre o sistema para reverter oprocesso de mistura.

HISTERESE, PERDAS RI2 e COMBUSTO.

Dois sistemas recebem a mesma quantidade de calor demaneiras diferentes, atingindo estados finais idnticos.

Um processo pode ser reversvel do ponto devista do sistema mas irreversvelexternamente (fator que causa airreversibilidade externo apesar dos estadosfinal e inicial do sistema serem os mesmosnos dois casos)

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Ciclo de Carnot

MOTOR TRMICO: Recebe calor de um

reservatrio a alta temperatura e libera calor paraum a baixa temperatura.

Qual o mximo rendimento possvel ?

Assuma todos os processos do ciclo (e ele prprio)como reversveis.

1) Processo isotrmico reversvel no qual calor transferido do (para) reservatrio a altatemperatura.

2) Processo adiabtico reversvel no qual atemperatura do fluido de trabalho diminui(aumenta) devido expanso (compresso).

3) Processo isotrmico reversvel no qual calor transferido para (do) reservatrio de baixatemperatura.

4) Processo adiabtico reversvel no qual atemperatura do fluido de trabalho aumenta

(diminui) devido a compresso (expanso).

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Ciclo de Carnot










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Ciclo de Carnot










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Ciclo de Carnot

Nenhum motor trmico operando

entre dois reservatrios pode ser

mais eficiente que o motor

reversvel operando entre estes

mesmo dois reservatrios.

Para que o motor irreversvel sejamais eficiente que o reversvel: < violando o enunciado deKelvin-Planck.

Motores que operam segundo o ciclo de Carnot utilizando reservatrios idnticos

apresentam o mesmo rendimento trmico.

Substitua o motor irreversvel por um motor reversvel mais eficiente que o outro,

que atua como refrigerador.

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Escalas Absoluta de Temperatura

ESCALA TERMODINMICA

Como a eficincia do ciclo de Carnot independeda substncia de trabalho e depende somentedas temperaturas dos reservatrios trmicos:

= 1

= 1 ,

Lord Kelvin:

=

= 1

Relao entre temperaturas absolutas, mas nose sabe a grandeza do grau, nem h temperaturade referncia.

Relao Funcional

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Escalas Absoluta de Temperatura

Escala de temperatura do Gs Ideal

= A presso do gs, correspondente a uma altura da coluna de mercrio, uma indicao datemperatura.

Utilizando ponto triplo da gua como referncia(273,16 K) pode-se encontrar a .. e qualqueroutra temperatura:

=273,16

..

Mas, gs ideal no existe

Como comportamento dos gases tende ao do gsideal para 0, vrias medidas so realizadascom diferentes quantidades de gs no bulbo.

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Exemplo 7 3

Em um termmetro de gs ideal de volume

constante, no ponto de congelamento da gua(0C), a presso medida de 110,9 kPa e, no pontode ebulio (100C) de 151,5 kPa. Estime atemperatura na qual a presso se iguala a zero.

Anlise:

Pela equao de estado do gs ideal

=

para massa e volume constantes, a presso varialinearmente com a temperatura

=

=

151,5110,91 0 0 0 = 0,406 /

Para 0: = 0 110,90,406 = 273,15

Este resultado estabelece uma relao entre a

temperatura absoluta do gs ideal em Kelvin ea escala de temperatura em Celsius.

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Ciclo de Carnot com Gs Ideal

A escala de temperatura do gs ideal idntica

escala de temperatura termodinmica.Considerando uma massa de gs unitria, otrabalho reversvel na fronteira dos 4 processosdo ciclo de Carnot pode ser dado por:

= com =

e = .

Da 1 Lei: = + e portanto,

= +

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Termo

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Forma da curva dos processos isotrmicos

conhecida ( = ): 1-2 e 3-4No processo adiabtico 2-3 ocorre expansocom reduo de temperatura ( ) eaumento de .No processo adiabtico 4-1 ocorre compressocom aumento de temperatura ( ) ereduo de .

= 1 = 0 + ln

0 =

+ l n = 3 = 0 ln = ln

0 =

+ l n

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Termo

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De

0 = + l n e

0 =

+ l n

tem-se:

= l n = l n

.

Assim, =

ou

=

=

ln ln =

A escala de temperatura do gs ideal idntica escala termodinmica detemperatura.

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Mquinas Reais e Ideais

Com a escala de temperatura termodinmica pode-se calcular a

eficincia trmica do motor de Carnot e o coeficiente de desempenho.

= 1 = 1

=

=

1

;

Carnot:

Vlidas somente para

ciclos reversveis

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Termo

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Motor Trmico

O motor trmico abaixo opera entre umreservatrio trmico a 550 C e o ambiente (300K). A taxa de transferncia de calor doreservatrio a alta temperatura para o motor de1 MW e a potncia do motor trmico, ou seja, ataxa de realizao de trabalho, de 450 kW.Calcule a taxa de transferncia de calor para oambiente e determine a eficincia desse motor

trmico. Compare esses valores com os relativos aum motor trmico de Carnot que opera entre osmesmos reservatrios trmicos.

Motor trmico como sistema. Aplicando 1 Lei:

= = 1000 450 = 550 =

=

4501000 =0,45

A eficincia do motor determinada pelastemperaturas dos reservatrios trmicos. Assim,

= 1 = 1 300550+273 =0,635

A potncia e a taxa de transferncia de calor para o ambiente namquina de Carnot so:

= = 0,635 1000 = 635 = = 1000 635 = 365

A eficincia deste motor prxima daquela de uma centraltermoeltrica a vapor moderna, que menor que a damquina de Carnot que opera entre os mesmos reservatriostrmicos. Umas das consequncias que a taxa detransferncia de calor para o ambiente na mquina real maior que aquela na mquina de Carnot.

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Bomba de Calor

Um ar condicionado usado para

manter um ambiente a 24C. Acarga trmica a ser removida

desse ambiente igual a 4 kW.Sabendo que o ambiente externoest a 35C, estime a potncianecessria para acionar o

equipamento.

Potncia mnima de acionamento calculadaadmitindo que o refrigerador opera segundo um ciclode Carnot.

=

=

=

= 273+24

3 5 2 4= 27

e a potncia de acionamento do condicionador de ar:

= =4

27 = 0,15

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