Termodinâmica - Van Wylen, Borgnakke, Sonntag
Fundamentos da TermodinâmicaTradução da 7ª Edição Americana
Capítulo 7 Segunda Lei da Termodinâmica
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICASE UM CICLO TERMODINÂMICO não viola a PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA, isto não quer dizer que o ciclo POSSA OCORRER!!
Fonte: Escher (1929).
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICAUm ciclo termodinâmico SOMENTE ocorrerá se não violar tanto a PRIMEIRA LEI quanto a SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA!!
Filosoficamente a SEGUNDA LEI indica que TODOS os processos conhecidos ocorrem em um certo SENTIDO e NÃO no oposto.
Café quente perde calor para o ambiente mais frio; mas calor não é transferido do ambiente frio para o café quente!!
Consome-se gasolina quando um carro sobe uma colina; mas o nível de gasolina no tanque não aumenta quando desce!!!
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Trabalho é realizado pelo peso e pás do agitador no gás;
Calor do gás é transferido para o ambiente;
Se aquecermos o gás (seta tracejada)
O gás não faz as pás girarem.
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
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O calor é transferido do reservatório de alta (temperatura) para o de baixa;
Calor NUNCA é transferido do reservatório de baixa para o de alta.
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
MOTOR TÉRMICO
MOTOR TÉRMICO: É um sistema que opera segundo um ciclo realizando TRABALHO LÍQUIDO positivo e trocando CALOR LÍQUIDO positivo.
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Todo motor térmico é um dispositivo que produz trabalho através da transferência de calor ou
combustão. O motor de combustão e a turbina a gás são exemplos clássicos.
MOTOR TÉRMICO
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A instalação motora a vapor é um motor térmico no sentido restrito, pois tem um fluído de trabalho (vapor), para, ou do qual, calor é transferido e
assim é realizada uma determinada quantidade de trabalho enquanto percorre um ciclo.
MOTOR TÉRMICO
EFICIÊNCIA TÉRMICA
Eficiência é a razão entre o que é PRODUZIDO (energia pretendida) e o que é USADO (energia gasta).
Em um motor térmico é a razão entre o TRABALHO e o CALOR transferido da fonte de alta.
H
L
H
LH
Htermico Q
QQQQ
QW
1
EFICIÊNCIA TÉRMICA
Motor térmico de grande porte: Turbina a Gás Siemens SGT5-8000H: 400 MW/536.000 CV.
A eficiência de motores térmicos de grande porte varia de 35 a 50%.
Motor térmico de médio porte: Motor Diesel John Deere PSX 13.5L : 560 CV.
A eficiência de motores térmicos de médio porte varia de 35 a 40%.
EFICIÊNCIA TÉRMICA
Motor térmico de pequeno porte: Motor ciclo Otto Toyama TD50: 5 CV.
A eficiência de motores térmicos de pequeno porte é menor do que 20%.
EFICIÊNCIA TÉRMICA
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Q=233 kW; mponto=0,0095 kg/s
Exemplo 7.1
BOMBA DE CALOR/REFRIGERADOR
BOMBA DE CALOR/REFRIGERADOR: É um sistema que opera segundo um ciclo que recebe calor de um corpo a baixa temperatura e cede calor para um corpo de alta temperatura.
Bomba de CalorRefrigerador
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BOMBA DE CALOR/REFRIGERADOR
Um refrigerador é uma bomba de calor no sentido restrito, pois tem um fluído de trabalho (R-134a), para o qual o calor é transferido para o fluído no evaporador,
então o fluído recebe trabalho do compressor e transfere calor no condensador. E a pressão é
abaixada por uma válvula de expansão.
O refrigerador ou bomba de calor é um dispositivo que opera segundo um ciclo e que necessita de trabalho para que se obtenha a transferência de calor de um corpo de baixa para um de alta temperatura.
COEFICIENTE DE DESEMPENHO
Coeficiente de desempenho é a razão entre o que a ENERGIA TRANSFERIDA (energia pretendida) e o TRABALHO para ocorrer tal transferência (energia gasta).
Em uma bomba de calor é a razão entre o CALOR TRANSFERIDO e o TRABALHO.
1
1
L
HLH
LL
QQQQ
QWQ
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Q=250 W; beta=1,67.
Exemplo 7.2
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
RESERVATÓRIO TÉRMICO é um corpo que nunca apresenta variação de temperatura, mesmo sofrendo transferências de calor.
FONTE é o reservatório DO QUAL se transfere calor.
SORVEDOURO é o reservatório PARA O QUAL se transfere calor.
Enunciado de Kelvin-Planck: É impossível construir um dispositivo que opere em um ciclo termodinâmico e que não produza outros efeitos além do levantamento de um peso e
troca de calor com um único reservatório térmico.
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Motor Térmico
É impossível construir um motor térmico que opere segundo um ciclo que receba uma determinada quantidade de calor de um corpo a alta temperatura e produza igual quantidade de trabalho.Um ciclo só pode produzir trabalho se estiverem envolvidos dois níveis de temperatura: corpo em altaMotor térmico; Motor térmicocorpo em baixa.É impossível construir um motor térmico com 100% de eficiência.
Enunciado de Clausius: É impossível construir um dispositivo que opere em um ciclo termodinâmico e que
não produza outros efeitos além da transferência de calor de um corpo firo para um corpo quente.
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Bomba de calor
É impossível construir um refrigerador que opere sem receber trabalho.
O coeficiente de desempenho c sempre menor do que o infinito.
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Os enunciados são negativos, ou seja, se baseiam em uma suposição de “não ocorrência” que em lógica matemática significa que são impossíveis serem demonstradosA
SEGUNDA LEI é eminentemente EXPERIMENTAL!! Todas as experiências já realizadas confirmam a segunda lei.
Os dois enunciados são equivalente, portanto a violação de um representa a violação do outro.
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Bomba de calor que não requer trabalho para operar.
Motor Térmico que opera em um ciclo e que não tem outro efeito além do levantamento de um peso
Reservatório de baixa SEM TROCA LÍQUIDA de calor.
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
MOTO-CONTÍNUO ou MOTO-PERPÉTUO
“Pode ser um moto perpétuo, mas levará uma eternidade para testá-la .”
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
MOTO-PERPÉTUO DE PRIMEIRA ESPÉCIE
Energia, trabalho e calor são criados do NADA. VIOLAÇÃO DA
Primeira Lei da Termodinâmica.
Big Bang.
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
MOTO-PERPÉTUO DE SEGUNDA ESPÉCIE
Não há perda de Energia, trabalho e calor. VIOLAÇÃO DA
Segunda Lei da Termodinâmica.
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
MOTO-PERPÉTUO DE TERCEIRA ESPÉCIE
Não há atrito no sistema. Portanto NÃO HÁ trabalho(?!?!).
SuperCondutividade: quando colocados imersos em um campo magnético externo e resfriados abaixo da sua temperatura de transição, tendem a ejetar todo o campo magnético aplicado (Efeito Meissner ).
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICAMOTO-PERPÉTUO DE SEGUNDA ESPÉCIE: Exemplo Motor de Navio.
Knock Nevis, Maior Navio do Mundo: 458 m de comprimento; 30 m de calado Peso Carregado: 564.763 toneladas
Propulsão: Turbina a Vapor de 50.000 SHP
1-Calor QL é transferido do Oceano para um reservatório de alta através de uma bomba de calor;2-Para isto é necessário um trabalho W’ =QH-QL e um calor transferido para o corpo de alta QH;
3-Um motor térmico recebe um calor QH do reservatório de alta e SOMENTE gera trabalho (Violação da segunda Lei!!);
4-O trabalho líquido Wliq é a diferença entre o trabalho total gerado pelo motor térmico e o trabalho utilizado pela bomba de calor, Wliq=QL;
Este sistema é um moto-perpétuo, pois toda energia utilizada QL provém diretamente de uma fonte de energia livremente disponível e inesgotável, sem perdas.
PROCESSO REVERSÍVEL
Um PROCESSO REVERSÍVEL é definido como aquele em que tendo ocorrido, pode ser INVERTIDO e depois de realizada esta inversão, NÃO SE NOTARÁ vestígio no SISTEMA e nas VIZINHANÇAS.
PROCESSO IRREVERSÍVEL
Trabalho foi realizado, pois o pistão subiu e se prendeu no batente. A força para levantar o pistão é pequena, não resistiva, devido a pressão atmosférica.
Trabalho foi realizado, pois o pistão desceu, mas a força é grande, pois foi necessário vencer a pressão do gás que é maior do que a atmosférica.
Portanto o Trabalho realizado no Processo Inverso é maior do que o do Processo Inicial. Assim uma determinada quantidade de calor deve ser transferida pelo gás para que o sistema tenha a mesma energia interna do Estado Inicial.DESTA FORMA AS VIZINHANÇAS MUDARAM, portanto este processo é IRREVERSÍVEL.
Considerando os pesos, no limite0, o processo é
REVERSÍVEL.Assim tanto o sistema como as
vizinhanças retornam exatamente ao mesmo
estado inicial.
PROCESSO REVERSÍVEL
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Em geral os fenômenos em que ocorre atrito tem trabalho em ação;Este trabalho é convertido em calor ou outra forma de energia que altera as vizinhanças;
Quando o processo é invertido, as vizinhanças e a energia interna do sistema não são as mesmas.
FATORES QUE TORNAM UM PROCESSO IRREVERSÍVEL
ATRITO:
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O trabalho realizado para retornar o gás para a condição inicial é maior do que o trabalho realizado para expandir o
gás, além do calor transferido para se restabelecer a energia interna inicial modificar as vizinhanças.
FATORES QUE TORNAM UM PROCESSO IRREVERSÍVEL
EXPANSÃO NÃO RESISTIVA:
FATORES QUE TORNAM UM PROCESSO IRREVERSÍVELTRANSFERÊNCIA DE CALOR COM DIFERENÇA FINITA:
Considerando um sistema aonde ocorre a transferência de calor de um corpo em alta temperatura para outro em baixa temperatura.
A ÚNICA maneira do sistema retornar ao estado inicial é providenciando um refrigerador que utilizará trabalho das vizinhanças,
além da transferência de calor para as vizinhanças.
Como as vizinhanças não retornam ao estado inicial, o processo é IRREVERSÍVEL.
PROCESSO DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR REVERSÍVEL
Um PROCESSO REVERSÍVEL é definido como aquele em que tendo ocorrido, pode ser INVERTIDO e depois de realizada esta inversão, NÃO SE NOTARÁ vestígio no SISTEMA e nas VIZINHANÇAS.
Um processo de transferência de calor se aproxima de um processo reversível, quando a
diferença de temperatura tende a zero.
0lim
TdT
QUANTO MAIOR A DIFERENÇA DE TEMPERATURA, MAIOR A IRREVERSIBILIDADE.
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Este processo pode ser considerado um tipo de expansão não resistiva;
É necessária uma determinada quantidade de trabalho para separar estes gases, portanto as
vizinhanças sofrem modificação.
FATORES QUE TORNAM UM PROCESSO IRREVERSÍVEL
MISTURA DE DUAS SUBSTÂNCIAS DIFERENTE:
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No caso 1, como a diferença de temperatura é infinitesimal, é um processo reversível;
No caso 2, como a diferença de temperatura não é infinitesimal, é um processo irreversível;
Mas quando se considera somente o sistema, ele passa exatamente pelos mesmos estados nos dois processos.
Assim pode-se dizer que no caso 2, o processo é irreversível externamente e reversível internamente.
FATORES QUE TORNAM UM PROCESSO IRREVERSÍVEL1 2
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Um motor térmico opera entre dois reservatórios térmicos e as Temperaturas dos reservatórios são constante e INDEPENDEM das
quantidades de calor transferidas;
O ciclo e todos os processos são REVERSÍVEIS;
Se os processos forem invertidos o motor se tornará um refrigerador;
CICLO DE CARNOT
CICLO DE CARNOT
1-Calor QH é transferido do reservatório de alta para o gerador de vapor;Obs.: Para ser reversível a temperatura da água deve ser infinitesimalmente menor do que a temperatura do reservatório;1-PROCESSO ISOTÉRMICO REVERSÍVEL.
2-Vapor superaquecido aciona a Turbina que gera trabalho;Obs.:Este processo ocorre sem transferência de calor, durante o qual a temperatura do fluído diminui até a temperatura do reservatório de baixa;2-PROCESSO ADIABÁTICO REVERSÍVEL.
3-Calor QL é rejeitado do fluido de trabalho para o reservatório de baixa pelo condensador;Obs.: A temperatura do fluído é infinitesimalmente maior do que o reservatório de baixa, o vapor é condensado em líquido;3-PROCESSO ISOTÉRMICO REVERSÍVEL.
4-A bomba comprime o fluído através do trabalho recebido da turbina e eleva a temperatura do mesmo até a temperatura do reservatório de alta e o lança no gerador de vapor.Obs.; Não há troca de calor, bombas somente operam com líquidos;4-PROCESSO ADIABÁTICO REVERSÍVEL.
CICLO DE CARNOT
TODO Ciclo de Carnot tem sempre os mesmo quatro processos básicos:
1-Um processo isotérmico reversível, no qual calor é transferido para ou do reservatório de alta;
2-Um processo adiabático reversível, no qual a temperatura do fluído de trabalho diminui desde a temperatura de alta para a de baixa;
3-Um processo isotérmico reversível, no qual calor é transferido para o reservatório de baixa;
4-Um processo adiabático reversível, no qual a temperatura do fluído aumenta desde o reservatório de baixa até o de alta.
CICLO DE CARNOT
PRIMEIRO TEOREMA: É impossível (?!?)construir um motor que opere entre dois reservatórios térmicos dados e que seja mais eficiente que um motor reversível operando entre os mesmos dois reservatórios. (Carnot,1802)
NASA, 2012
CICLO DE CARNOT
SEGUNDO TEOREMA: Todos os motores que operam segundo o ciclo de Carnot e entre dois reservatórios térmicos apresentam o mesmo rendimento.
X
Lamborghini 5000QV Bugatti EB-110SS
ESCALA TERMODINÂMICA DE TEMPERATURA
A eficiência do Ciclo de Carnot não depende da substância, mas apenas das temperaturas dos reservatórios térmicos.
Portanto a Escala Absoluta de Temperatura é função do Ciclo de Carnot.
),(11 THTLQQ
H
Ltermico
Onde ψ é uma relação funcional.
Kelvin definiu a seguinte relação funcional:
L
H
L
H
TT
H
L
H
Lcarnot T
TQQ
11