Upload
carlos-alberto-alves
View
950
Download
14
Embed Size (px)
Citation preview
TERMODINÂMICA
ENGPRO
ENGPRO
Segunda Lei da TermodinâmicaMáquinas TérmicasCARLOS ALBERTO ALVES
Segunda Lei da TermodinâmicaEN
GPRO
Dentre as duas leis da termodinâmica, a segunda é a que tem maior aplicação na construção de máquinas e utilização na indústria, pois trata diretamente do rendimento das máquinas térmicas.
14%
Introdução à Segunda Lei da TermodinâmicaEN
GPRO
Uma xícara de café não se aquece sozinha em uma sala fria.
Transferir calor a uma roda de pás não fará com que ela gire.
Transferir calor a um fio não gerará eletricidade.
Esses processos não podem acontecer, mesmo se não violarem a Primeira Lei da Termodinâmica!
19%
Enunciados AlternativosEN
GPRO
• Não há nenhum enunciado simples que capture todos os aspectos da Segunda Lei da Termodinâmica
• Diversas formulações alternativas da Segunda Lei são encontradas na literatura:
Enunciado de Clausius
Enunciado de Kelvin-Planck
Enunciado da Entropia24%
Enunciado de ClausiusEN
GPRO
R. Clausius(1822-1888)
“O calor não pode fluir, de forma espontânea, de um corpo de temperatura menor, para um outro corpo de temperatura mais alta.”
Tendo como consequência que o sentido natural do fluxo de calor é da temperatura mais alta para a mais baixa, e que para que o fluxo seja inverso é necessário que um agente externo realize um trabalho sobre este sistema.
Adaptação
29%
Enunciado de ClausiusEN
GPRO
Fluxo Natural
Agente Externo
33%
Enunciado de Kelvin-PlanckEN
GPRO
“É impossível a construção de uma máquina que, operando em um ciclo termodinâmico, converta toda a quantidade de calor recebido em
trabalho.”
Este enunciado implica que, não é possível que um dispositivo térmico tenha um rendimento de 100%, ou seja, por menor que seja, sempre há uma quantidade de calor que não se transforma em trabalho efetivo.
W. Thomson Lord Kelvin(1824-1907)
Adaptação
38%
Enunciado de Kelvin-PlanckEN
GPRO
Desperdício de energia
100% de rendimento43%
Enunciado de Kelvin-PlanckEN
GPRO
• É impossível converter (em um ciclo) todo o calor de trabalho útil• Ciclos não são 100% eficientes• Sempre existem algumas imperfeições devido a “irreversibilidades”• A definição de Entropia e da Segunda Lei da Termodinâmica estão diretamente ligadas à
esse enunciado
Cada máquina térmica deve desperdiçar alguma energia transferindo-a para um reservatório de baixa temperatura a fim de completar o ciclo, mesmo sob condições ideais.
48%
Máquinas térmicasEN
GPRO
As máquinas térmicas foram os primeiros dispositivos mecânicos a serem utilizados em larga escala na indústria, por volta do século XVIII. Na forma mais primitiva, era usado o aquecimento para transformar água em vapor, capaz de movimentar um pistão, que por sua vez, movimentava um eixo que tornava a energia mecânica utilizável para as indústrias da época.
Locomotiva 2-8-0 de vapor
superaquecido
E. F. Central do Brasil
52%
Máquinas térmicasEN
GPRO
Em termodinâmica, máquinas térmicas são sistemas que realizam a conversão de calor ou energia térmica em trabalho mecânico.
A fonte térmica fornece uma quantidade de calor (Q1) que no dispositivo transforma-se
em trabalho (t) mais uma quantidade de calor que não é capaz de ser utilizado como
trabalho (Q2).
Q1
Q2
t
|𝜏|=|𝑄1|−∨𝑄2∨¿57%
Características das máquinas térmicasEN
GPRO
• Eles recebem calor de uma fonte a alta temperatura (energia solar, forno a óleo, reator nuclear, etc.)
• Convertem parte desse calor em trabalho (geralmente girando em eixo)• Rejeitam o calor remanescente em um sumidouro de calor a temperaturas baixas
(atmosfera, rios, etc.)• Operam em ciclos
Usina TermonuclearBarco à vapor
Turbinas à queroseneMotor à gasolina
62%
Rendimento das máquinas térmicasEN
GPRO
Podemos chamar de rendimento de uma máquina a relação entre a energia utilizada como forma de trabalho e a energia fornecida:𝜂=𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝜏= h𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙 𝑜𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑑𝑜𝑎𝑡𝑟𝑎𝑣 é 𝑠𝑑𝑎𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎𝑡 é 𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑓𝑜𝑟𝑛𝑒𝑐𝑖𝑑𝑎𝑄1=𝑞𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑑𝑒𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑓𝑜𝑟𝑛𝑒𝑐𝑖𝑑𝑎𝑝𝑒𝑙𝑎 𝑓𝑜𝑛𝑡𝑒𝑑𝑒𝑎𝑞𝑢𝑒𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑄2=𝑞𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑑𝑒𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑛 ã𝑜 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑎𝑒𝑚 h𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙 𝑜
Rendimento𝜂=𝜏
¿𝑄1∨¿ ¿
Trabalho |𝜏|=|𝑄1|−∨𝑄2∨¿
Rendimento
𝜂=|𝑄1|−∨𝑄2∨ ¿¿𝑄1∨¿¿
¿67%
Logo
Rendimento das máquinas térmicasEN
GPRO
O valor mínimo para o rendimento é 0 se a máquina não realizar nenhum trabalho, e o máximo 1, se fosse possível que a máquina transformasse todo o calor recebido em trabalho, mas como visto, isto não é possível. Para sabermos este rendimento em percentual, multiplica-se o resultado obtido por 100%
Um motor à vapor realiza um trabalho de 12kJ quando lhe é fornecido uma quantidade de calor igual a 23kJ. Qual a capacidade percentual que o motor tem de transformar energia térmica em trabalho?
Exemplo
𝜂=𝜏
¿𝑄1∨¿×100% ¿71%
𝜂=1200023000×100%
57,17%
Ciclo de CarnotEN
GPRO
Até meados do século XIX, acreditava-se ser possível a construção de uma máquina térmica ideal, que seria capaz de transformar toda a energia fornecida em trabalho, obtendo um rendimento total (100%).
Para demonstrar que não seria possível, o engenheiro francês Nicolas Carnot (1796-1832) propôs uma máquina térmica teórica que se comportava como uma máquina de rendimento total, estabelecendo um ciclo de rendimento máximo, que mais tarde passou a ser chamado Ciclo de Carnot.
Nicolas Carnot(1796-1832)
76%
Ciclo de CarnotEN
GPRO
Numa máquina de Carnot, a quantidade de calor que é fornecida pela fonte de aquecimento e a quantidade cedida à fonte de resfriamento são proporcionais às suas temperaturas absolutas, assim:
¿𝑄2∨ ¿
¿𝑄1∨¿=𝑇 1𝑇 2 ¿
¿
Rendimento
=
T 1=𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑓𝑜𝑛𝑡𝑒𝑞𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒T 2=𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑓𝑜𝑛𝑡𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑎
81%
Logo
Ciclo de CarnotEN
GPRO
Com isto se conclui que para que haja 100% de rendimento, todo o calor vindo da fonte de aquecimento deverá ser transformado em trabalho, pois a temperatura absoluta da fonte de resfriamento deverá ser 0 K.
Partindo daí conclui-se que o zero absoluto não é possível para um sistema físico.
86%
ExercíciosEN
GPRO
Em uma máquina térmica são fornecidos 3kJ de calor pela fonte quente para o início do ciclo e 780J passam para a fonte fria. Qual o trabalho realizado pela máquina, se considerarmos que toda a energia que não é transformada em calor passa a realizar trabalho?|𝜏|=|𝑄1|−∨𝑄2∨¿ j
𝜂=𝜏
¿𝑄1∨¿ ¿
90%
|𝜏|=3000 𝐽−780 𝐽|𝜏|=2220 𝐽
Qual o rendimento da máquina térmica? 𝜂=22203000 𝑥100=74%
ExercíciosEN
GPRO
Uma máquina que opera em ciclo de Carnot tem a temperatura de sua fonte quente igual a 330°C e fonte fria à 10°C. Qual é o rendimento dessa máquina?
T 1=273+330=603𝑘T 2=273+10=283𝑘
𝜂=0,53=53%
95%
Conversão Graus x Kelvin
ENGPRO CARLOS ALBERTO
ALVES