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Universidade Federal do ABC
ProfaProfa. Dra. Ana ProfaProfa. Dra. Ana. Dra. Ana. Dra. Ana MariaMariaMariaMaria PereiraPereiraPereiraPereira NetoNetoNetoNeto
[email protected]@[email protected]@ufabc.edu.br Catequese, 5º AndarCatequese, 5º Andar Catequese, 5º AndarCatequese, 5º Andar
BC1309BC
Termodinâmica AplicadaTermodinâmica Aplicada
BC1309BC
Termodinâmica AplicadaTermodinâmica Aplicada
Segunda Lei da TermodinâmicaSegunda Lei da TermodinâmicaSegunda Lei da TermodinâmicaSegunda Lei da Termodinâmica
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
Segunda Lei da TermodinâmicaSegunda Lei da TermodinâmicaSegunda Lei da TermodinâmicaSegunda Lei da Termodinâmica
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Comparação com a 1ª Lei da Termodinâmica;
Análise de processos e ciclos termodinâmicos do ponto
de vista qualitativo;
Máquinas térmicas e os enunciados de Kelvin-Planck e
Clausius;
Processos reversíveis e irreversibilidades;
Ciclo de Carnot;
Máxima eficiência de um ciclo termodinâmico.
RevisãoRevisãoRevisãoRevisão
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Primeira Lei da TermodinâmicaPrimeira Lei da TermodinâmicaPrimeira Lei da TermodinâmicaPrimeira Lei da Termodinâmica
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1ª Lei da Termodinâmica1ª Lei da Termodinâmica1ª Lei da Termodinâmica1ª Lei da Termodinâmica
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Princípio de conservação da energia:
a energia não pode ser criada e nem
destruída durante um processo.
OO cumprimentocumprimento apenasapenas destadesta leilei nãonão garantegarante queque oo processoprocesso realmenterealmente ocorrerá!ocorrerá!
Comparação com aComparação com a
1ª Lei da Termodinâmica1ª Lei da Termodinâmica
Comparação com aComparação com a
1ª Lei da Termodinâmica1ª Lei da Termodinâmica
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2ª Lei da Termodinâmica2ª Lei da Termodinâmica2ª Lei da Termodinâmica2ª Lei da Termodinâmica
11 °° LeiLei dada TermodinâmicaTermodinâmica:: conservação da energia que impõe restrições algébricas às interações de energia entre o sistema/volume de controle e o meio;
Tais restrições algébricas não fornecem informações sobre o sentidosentido preferencialpreferencial em que os processos ocorrem;;
Muitos processos só ocorrem “espontaneamente” em determinados sentidos: CalorCalor éé transferidotransferido sempresempre dede umum corpocorpo aa temperaturatemperatura maismais altaalta parapara outrooutro aa temperaturatemperatura maismais baixabaixa;; ArAr pressurizadopressurizado escapaescapa dede umum reservatórioreservatório;; MisturaMistura dede duasduas substânciassubstâncias diferentesdiferentes..
Máquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de Potência
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Máquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de Potência
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DefiniçõesDefinições::
MáquinaMáquina TérmicaTérmica:: dispositivo que opera em ciclo
termodinâmico, que retira calor de sua vizinhança (meio) e
produz trabalho útil;
ReservatórioReservatório TérmicoTérmico:: tipo especial de sistema que
mantém sua temperatura constante mesmo que troque
calor com outro sistema.
Rio
Lago
Atmosfera
Oceano
Reservatórios de Energia TérmicaReservatórios de Energia TérmicaReservatórios de Energia TérmicaReservatórios de Energia Térmica
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Corpos com massas térmicas relativamente grandes podem ser modelados como reservatórios de energia térmica.
Reservatórios de Energia TérmicaReservatórios de Energia TérmicaReservatórios de Energia TérmicaReservatórios de Energia Térmica
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Energia TérmicaEnergia Térmica
FonteFonte
Energia TérmicaEnergia Térmica
SumidouroSumidouro
CALORCALOR
CALORCALOR
Uma fonte fornece energia sob a forma de calor e um sumidouro a remove.
Usina a VaporUsina a VaporUsina a VaporUsina a Vapor
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WWBB WWTT
CaldeiraCaldeira
CondensadorCondensador
BombaBomba TurbinaTurbina
Fronteira do SistemaFronteira do Sistema
Fonte de energiaFonte de energia(fornalha)(fornalha)
Sumidouro de energiaSumidouro de energia(atmosfera)(atmosfera)
QQHH
QQLL ^ QH: calor fornecido ao vapor na caldeira a partir
de uma fonte a alta temperatura. QL: calor rejeitado pelo vapor no condensador para um sumidouro a baixa temperatura.
Máquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de Potência
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Reservatório Térmico a Temperatura TH
Reservatório Térmico a Temperatura TL
QL
QH
W
Máquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de Potência
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Q H
W
insumo
η=produto^ =
Eficiência de uma máquina térmica de potência:
Pela 1° Lei da Termodinâmica (conservação de energia):
H
L H
H L
Q
1 Q
Q
η =Q^ −Q = −
QH =W+Q L
Assim:
Máquinas TérmicasMáquinas TérmicasMáquinas TérmicasMáquinas Térmicas
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FonteFonte
SumidouroSumidouro
QQHH = 100 kJ= 100 kJ
WWlíqlíq = 20kJ= 20kJ WWlíqlíq = 30kJ= 30kJ
QQHH = 100 kJ= 100 kJ
QQLL = 80 kJ= 80 kJ QQLL = 70 kJ= 70 kJ
Enunciado de ClausiusEnunciado de ClausiusEnunciado de ClausiusEnunciado de Clausius
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Enunciado de ClausiusEnunciado de ClausiusEnunciado de ClausiusEnunciado de Clausius
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alta temperaturaalta temperatura
FonteFonte
baixa temperaturabaixa temperatura
SumidouroSumidouro
QQHH
QQLL
“É impossívelimpossível construir um dispositivo térmico cujo único efeito seja a transferência de calor de um corpo a baixa temperatura para outro a temperatura mais alta.”
Refrigeradores e Bombas de CalorRefrigeradores e Bombas de CalorRefrigeradores e Bombas de CalorRefrigeradores e Bombas de Calor
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alta temperaturaalta temperatura
FonteFonte
baixa temperaturabaixa temperatura
SumidouroSumidouro
QQHH
QQLL
Refrigerador e Bomba de CalorRefrigerador e Bomba de CalorRefrigerador e Bomba de CalorRefrigerador e Bomba de Calor
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W
Transferência de calor de umTransferência de calor de um meio a baixa temperatura para ummeio a baixa temperatura para um meio a alta temperatura.meio a alta temperatura.
Bomba de CalorBomba de CalorBomba de CalorBomba de Calor
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Espaço quente aquecidoEspaço quente aquecido
TTHH>T>TLL
Ambiente frioAmbiente frio
TTLL
QQHH
QQLL
W
entradaentrada necessárianecessária
SaídaSaída desejadadesejada
Bomba de CalorBomba de CalorBomba de CalorBomba de Calor
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W
Q
insumo
β=^ produto^ = H
H L
H
Q Q
Q
Eficiência de uma máquina térmica de refrigeração:
Pela 1° Lei da Termodinâmica:
QH =W+Q L
Assim:
Processos:Processos:
Reversíveis e IrreversíveisReversíveis e Irreversíveis
Processos:Processos:
Reversíveis e IrreversíveisReversíveis e Irreversíveis
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Processo ReversívelProcesso ReversívelProcesso ReversívelProcesso Reversível
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O processo reversível para um sistema é definido como
aquele que tendo ocorrido pode ser invertido e, depois
desta inversão, não se notará nenhum vestígio no sistema
e no meio.
(1) (^) (2) (^) (1)
expansão compressão
IrreversibilidadesIrreversibilidadesIrreversibilidadesIrreversibilidades
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Os fatores que levam um processo a se tornar irreversível são chamados de irreversibilidades:
TransferênciaTransferência dede calorcalor comcom diferençadiferença finitafinita dede temperaturatemperatura;; ExpansãoExpansão nãonão resistidaresistida dede umum gásgás atéaté umauma pressãopressão maismais baixabaixa;; ReaçãoReação químicaquímica espontâneaespontânea;; AtritoAtrito (deslizamento(deslizamento e/oue/ou escorregamento)escorregamento);; CorrenteCorrente elétricaelétrica atravésatravés dede umauma resistênciaresistência;; DeformaçãoDeformação inelásticainelástica..
Identificando IrreversibilidadesIdentificando IrreversibilidadesIdentificando IrreversibilidadesIdentificando Irreversibilidades
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Irreversibilidades podem ocorrer no interior do sistema (internas) ou fora do sistema (externas);
A escolha da fronteira do sistema é muito importante na determinação das irreversibilidades;
Processos internamente reversíveis são aqueles em que as irreversibilidades ocorrem externamente ao sistema;
Para um sistema internamente reversível, os processos ocorrem através de uma série de estados de equilíbrio (quase-estático);
Em um reservatório térmico todos os processos são internamente reversíveis.
CicloCiclo -CicloCiclo -- Máquina Térmica- Máquina TérmicaMáquina TérmicaMáquina Térmica
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OO ciclociclo de uma máquina térmica não pode ocorrerde uma máquina térmica não pode ocorrer
sem asem a rejeição de alguma quantidade de calorrejeição de alguma quantidade de calor parapara
um sumidouro a baixa temperatura.um sumidouro a baixa temperatura.
CicloCiclo –CicloCiclo –– Máquinas Térmicas– Máquinas TérmicasMáquinas TérmicasMáquinas Térmicas
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O WWlíqlíq e a ηηηηηηηη dodo ciclociclo podem ser maximizados com o uso de processos que exijam o mínimo de We e resultem no máximo de Ws, ou seja, usando processosprocessos reversíveisreversíveis.
Ciclos reversíveis nãonão podempodem serser realizadosrealizados nana práticaprática.
As irreversibilidades nãonão podempodem serser eliminadaseliminadas.
No entanto, os ciclos reversíveis representam os limiteslimites superioressuperiores para o desempenho dos ciclos reais.
Os ciclos reversíveis servem como modelomodelo parapara oo desenvolvimentodesenvolvimento dede ciclosciclos reaisreais.
