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O Ciclo de Carnot
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MQUINAS TRMICAS
PROFESSOR: JARDEL DE JESUS
5.
INTRODUO
Por onde comear o estudo dessa disciplina?
Usaremos Fenmenos de Transporte, que envolve conceitos
associados da Mecnica dos Fluidos, Termodinmica e de
Transmisso de Calor para aplicarmos nas Mquinas Trmicas.
A Termodinmica a primeira de trs disciplinas que, juntas,
formam o que costumase chamar de Engenharia de Sistemas
Trmicos, ou Termocincias.
A Termodinmica, a Mecnica dos Fluidos e a Transferncia de
Calor esto intimamente ligadas.
TERMODINMICA:
Estuda o tratamento da energia e das relaes entre as
propriedades da matria.
Nasceu no sculo XVIII com o surgimento das mquinas
trmicas (revoluo industrial).
Termodinmica a cincia que descreve:
Os Estados da matria e sistemas
As Leis de Conservao
A direo de processos naturais
Lei Zero da Termodinmica
Se dois corpos estiverem em equilbrio trmico com um
terceiro, eles estaro em
equilbrio trmico um com o
outro!
O calor recebido por um sistema
igual soma entre a variao da
energia interna do sistema e o trabalho
efetuado pelo sistema
1 Lei da Termodinmica
2 Lei da Termodinmica
impossvel remover energia trmica de um sistema a uma
certa temperatura e converter
integralmente a energia removida
em trabalho mecnico.
No existe um mquina trmica que tenha 100% de rendimento
Sistema: refere-se a uma substncia ou grupo de substncias
consideradas separadamente para estudo.
Sistema fechado: Temos uma quantidade fixa de matria,
no existe fluxo de massa atravs de suas fronteiras.
Sistema aberto: Ocorre troca de matria, existe fluxo de
massa atravs de suas fronteiras.
Isolados: No trocam massa nem energia sob nenhuma
forma com o
ambiente
Adiabticos: No trocam calor com o ambiente.
Estado:
O Estado de um Sistema a sua condio fsica determinada
pelas molculas que o compe.
Ex: presso, temperatura, volume especifico.
Processo:
Um processo a mudana de um estado para outro
dentro de um sistema.
Ciclo:
Ciclo uma sucesso de processos onde o estado final se
confunde com o estado inicial.
Temperatura:
uma propriedade termodinmica que indica o grau
de agitao das molculas de um sistema. T(C) = T(K) 273,15
T(R) = 1,8 T(K)
T(F) = T(R) 459,67
T(F) = 1,8 T(C) + 32
Equilbrio Trmico:
o estado termodinmico alcanado por um sistema e sua
vizinhana aps eles terem postos em contato trmico por um
tempo suficientemente grande, atravs de uma parede que
possibilite a troca de calor.
- Instvel -
- Metaestvel
- Estvel
Volume especifico:
o volume ocupado pela unidade de massa.
Massa especfica:
Massa especfica o inverso do volume especifico.
Introduo
Sculo XVIII: o homem descobriu como obter trabalho a
partir de um fluxo de calor.
A Mquina a Vapor (trmica) foi inventada: o calor liberado
pela queima de carvo e madeira transformava gua em
vapor que ento produzia trabalho. Bombeava a gua das
minas, movia trens e navios, tocava as fbricas, transportava
cargas.
Consequncia: Revoluo Industrial do sculo XIX.
Questionava-se: como avaliar a quantidade mxima de
trabalho que poderia ser obtida a partir de uma dada
quantidade de combustvel.
Introduo Questionava-se: Se uma locomotiva abastecida de carvo
pode me levar daqui a SP, com uma mquina a vapor mais
eficiente ser que eu poderia fazer uma viagem maior?
Nicolas Lonard Sadi Carnot, jovem engenheiro militar
francs, resolveu o problema de se calcular o rendimento
mximo de uma mquina trmica.
Mquina Trmica: qualquer aparelho ou dispositivo para
transformar calor em trabalho. Seu funcionamento est
relacionado a trs fatos:
1) Recebe calor de uma fonte quente temperatura
constante T1.
2) Rejeita calor para algo frio uma temperatura T2.
3) Realiza (ou recebe) trabalho.
Mquinas Trmicas
Um dispositivo muito til para
compreender a segunda lei da
termodinmica a mquina
trmica
Uma mquina trmica um
dispositivo que converte
energia interna em outras
formas teis de energia, tal
como energia cintica
A locomotiva a vapor obtm
sua energia por meio da
queima de madeira ou carvo
Aplicaes das Mquinas trmicas
Segundo Princpio da Termodinmica
Consideremos um sistema de temperaturas diferentes que esto
em contato e isolado da vizinhana por paredes adiabticas.
Depois de um tempo, os corpos estaro em equilbrio
termodinmico, devido o fluxo de calor do corpo 1 ao corpo 2.
A energia total do sistema permanece a mesma.
Se pensarmos no processo inverso. possivel?
O que determina o sentido em que o processo natural ter lugar?
A segunda lei da termodinmica
determina o sentido preferencial
do processo termodinmico.
Os processos termodinmicos
que ocorrem na natureza so
todos IRREVERSVEIS.
Esses processos so aqueles que
ocorrem em determinados
sentidos e no ocorrem no
sentido contrrio.
Processos Reversveis e Irreversveis
Processos Reversveis e Irreversveis
Se um processo real ocorrer muito lentamente, de tal forma
que o sistema esteja sempre muito prximo do equilbrio,
esse processo pode ser considerado como reversvel
Comprimir um gs muito lentamente ao deixar cair sobre o
pisto sem atrito alguns gros de areia
Areia
Reservatrio de calor
Exemplo
Compresso isotrmica e reversvel:
Cada gro de areia
adicionado representa uma
pequena mudana para um
novo estado de equilbrio
O processo pode ser
revertido pela lenta
remoo dos gros de areia
do pisto
O estado aleatrio ou o grau de desordem do estado final de
um sistema pode ser relacionado ao sentido da realizao de
um processo natural.
A converso de energia mecnica em calor envolve
um aumento de desordem do sistema.
Desordem e Processos Termodinmicos
A segunda lei da termodinmica introduz uma funo de
estado chamada ENTROPIA que permanece constante
ou aumenta em qualquer processo possvel, em um
sistema isolado.
ENTROPIA:
A segunda lei da termodinmica introduz uma funo de
estado chamada ENTROPIA que permanece constante ou
aumenta em qualquer processo possvel, em um sistema
isolado.
Uma funo de estado uma funo que descreve uma relao
entre duas ou mais variveis de estado que definem o estado de um
sistema termodinmico.
Entropia
A varivel de estado relacionada com o Segundo
Princpio da Termodinmica, a entropia S
A ideia de entropia surgiu no seguimento de uma funo criada
pelo fsico alemo Rudolf Clausius (1822-1888). Expressou a
entropia em escala macroscpica pela primeira vez em 1865
q
q
f
f
T
Q
T
Q
q
f
q
f
T
T
Q
Q
A partir da equao que descreve a mquina de
Carnot
Os sistemas isolados tendem desordem e a entropia
uma medida dessa desordem
Obteve a relao a razo Q/T tem um
significado especial
Entropia
T
QdS r
Se Qr for o calor transferido quando o sistema segue
uma trajetria reversvel entre dois estados, a variao
da entropia, independentemente da trajetria real
seguida, igual a
f
i
r
T
QS
integro dS
Baixa entropia Alta entropia
Mquina trmica carrega alguma
substncia que trabalha por um
processo cclico durante o qual:
(1) a substncia que trabalha
absorve energia do calor de
um reservatrio de energia
em alta temperatura;
(2) o trabalho realizado pelo
motor;
(3) a energia expelida pelo
calor para um reservatrio em
temperatura mais baixa.
Mquinas Trmicas Impossveis: Enunciado de
Kelvin-Planck
W
TH
QH
impossvel construir uma mquina trmica que
opera num ciclo termodinmico e no produza
outros efeitos alm trabalho e troca de calor com um
nico reservatrio trmico.
Pois, essa mquina converteria 100% do calor
fornecido em trabalho. Induz ao conceito de eficincia.
0U
Mquinas Trmicas Impossveis: Enunciado de Clausius
impossvel construir uma mquina trmica que opera
segundo um ciclo termodinmico e que no produza
outros efeitos alm da transferncia de calor de um corpo
frio para um corpo quente. Pois impossvel construir
um refrigerador que opere sem receber trabalho.
W= 0
TH
TL
QH
QL
Espontaneidade
Em sntese:
A primeira lei proibe a criao ou destruio da energia;
Enquanto que a segunda lei limita a disponibilidade da energia e os modos de
conservao e de uso da energia.
Mquina Trmica Configurao A
possvel operar?
impossvel pois viola a primeira lei termodinmica.
W Realizado
TH
TL
QH
QL
Mquina Trmica Configurao B
possvel operar ?
possvel pois no viola a primeira, nem a segunda
lei Termodinmica.
W Realizado
TH
TL
QH
QL
Mquinas Trmicas Configurao C
possvel operar?
possvel pois no viola a primeira nem a segunda
lei termodinmica.
As configuraes B e C podem funcionar e so o
reverso uma da outra, da a expresso mquina
trmica reversvel.
W recebido
TH
TL
QH
QL
Os processos reais seguem um sentido preferencial
o Segundo Princpio da Termodinmica que
determina as direes em que ocorrem os
fenmenos naturais
O calor no fli espontaneamente de um corpo frio para um corpo quente
Formulao alternativa do segundo princpio da termodinmica
Bomba de calor impossvel
impossvel existir uma bomba de calor ou
frigorfico (refrigerador) que absorve calor de um
reservatrio frio e transfere uma quantidade de
calor equivalente para um reservatrio quente
sem a realizao de trabalho externo.