Mecânica da Energia, Termodinâmica e Parâmetros de Quantificação

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Mecânica da Energia,

Termodinâmica e Parâmetros de

Quantificação

Energia

  

Não tem peso nem cor... ...tampouco cheiro!

Mas pagamos por ela!

Não podemos vê-la diretamente...

  ... Mas podemos percebê-la nas mudanças e transformações por ela produzidas.

  

Algumas frases com a palavra

energia…

  A liberação da energia atômica mudou tudo, menos nossa maneira de pensar.

   

  Se tudo o que existe no mundo possuísse uma fonte de energia, com certeza a minha seria você.

   Se alguem lhe bloquear a porta, não gaste energia com o confronto, procure as janelas.Lembre-se da sabedoria da água."A água nunca discute com os seus obstáculos... mas os contorna."

  A energia esta envolvida em todas as ações que ocorrem no Universo.

  

Energia Química

Energia Mecânica

  A Energia pode se tornar presente sob diversas formas Energia Radiante ou Luminosa

  • Potencial GravitacionalCinética

  Energia Interna Energia Elétrica Energia Nuclear Energia Eólica

  

Em ação,

a energia se transforma de uma forma em outra .

  Exemplo Processo natural de conversão de energia.

  FOTOSÍNTESE

  6CO 2 + 6H 2 O + Radiação solar = 6[CH 2 O] + 6O 2 Corpúsculo portador de clorofila existente no interior de células das folhas.

  Processo da Fotosíntese Estrutura Organizada Lei da Conservação da Energia

  o

  O uso da energia implica em transformá-la de uma forma para outra... porém ela, a energia, não é criada nem destruida.

  Energia total antes Energia total após da explosão a explosão =

  Sejam quantas forem as transformações, a quantidade total de energia no Universo permanece constante. As transformações não alteram a quantidade de energia do Universo. Embora permaneça inalterada, ...

  ... em cada transformação, a parcela da energia disponível torna-se cada vez menor.

  2 o

  Princípio da Termodinâmica Na maioria das transformações parte da energia converte em calor...

  ... que ao se dissipar caoticamente pela vizinhança torna-se , cada vez menos disponível, para realização de trabalho.

  A energia total do Universo não muda, mas a parcela disponível para realização de trabalho, torna-se cada vez menor.

Fluxograma da Energia nos Balanços Mundiais

  

Primários: Petróleo; Gás Natural; Carvão Mineral ROM; Energia Hídrica; Urânio;

  Lenha; Cana-de-Açúcar; Casca de Arroz

  Secundários: Derivados do Petróleo; Derivados do Carvão Mineral;

  Derivados da Biomassa; Eletricidade

  

Destino da Energia Final: Força Motriz; Calor de Processo; Aquecimento Direto;

  Iluminação; Eletroquímica Centros de Transformação

  Setores de Consumo: Agrícola; Industrial, Comercial, Transportes, Serviço Público e Energético.

  Útil Perdas

  12 FONTES NÃO-RENOVÁVEIS

  

Elementos Balanço Energético - Esquema sistema fechado

Perdas Perdas Uso final Perdas Transformação

  Conversão Energia Centro Energia Energia de Final Primária Secundária Transformação Conversor Ponto vista Setor Energético Transformação direta Força motriz Calor de Processo Aquecimento Direto Energia útil Iluminação Eletroquímica Outros

  Segunda Lei do Movimento de Newton ⃗ F

  =m⋅⃗a Exemplos de Aplicação Um meteoro de 10 quilos está se movendo no espaço. Se uma força de 150N for aplicada sobre ele, qual será sua aceleração?

  ⃗F 150

  2 = =15 m/ sa= m

  10 Uma emissão de particulados é formada por partículas de

tamanho médio que tem uma velocidade vertical constante de

0,3 m/s. Se elas são emitidas por uma chaminé com altura de

200 m e há um vento de 15 km/h, qual a distância percorrida

pela particula até pousar na terra? Solução:

  O tempo que a particula levará para pousar no solo é: distância 200 m

  = = =667 s=0,19 h Tempo velocidade vertical 0,3 m / s

  Neste período terá coberto uma distância de: km

  =vt=15 ×0,19 h=2,8 km d h

  

Energia e Trabalho – 1a. Lei da

termodinâmica W =−

  ∫ ⃗

  F ⋅⃗d trabalho Δ(EC +EP+U )=Δ ET =QW

  Onde: EC =

  1

  2 m v

  2 → energia cinética

  EP =mgh energia potencial Uenergia interna

  Qcalor

  Relações entre Unidades e Fatores de Conversão para Energia Equivalências Relações práticas 1 m³ = 6,28981 barris 1 tep ano = 7,2 bep ano 1 barril = 0,158987 m³ 1 bep ano = 0,14 tep ano 1 joule = 0,239 cal 1 tep ano = 0,02 bep dia

  1 bep dia = 50 tep ano 1 m³ de petróleo = 0,872 t (em 1994) 1 tep = 10000 Mcal multiplicar por para J BTU cal kWh de

  • -6 -9 Joule (J)

  1 947,8 x 10 0,23884 277,7 x 10

  • -6 British Thermal Unit (BTU) 1,055 x 10³

  1 252

  • -3 -6 293,07 x 10 Caloria (cal) 4,1868

  1 6 3,968 x 10 1,163 x 10 Quilowatt-hora (kWh) 3,6 x 10 3412 860 x 10³ 9 6 9

  1 Ton. equivalente de petróleo (tep) 41,87 x 10 39,68 x 10 10 x 10 11,63 x 10³ 9 6 9 Barril equivalente de petróleo (bep) 1,65 x 10³ 5,95 x 10 5,63 x 10 1,42 x 10

Padrão usado nos balanços energéticos

  Tep tonelada equivalente de petróleo É o poder calorífico superior médio – PCS – do petróleo brasileiro cujo valor é

  10.800 kcal/kg   1 tep brasileiro = 10.800 Mcal 1 tep standard = 10.000 Mcal

  

Poder calorífico dos combustíveis

Energia liberada pela combustão

  3 completa de 1 kg (ou 1 m normal) Poder Calorífico Inferior Poder Calorífico Superior PCI PCS Não leva em consideração o calor latente Leva em consideração o calor latente de vaporização da água de constituição de vaporização da água de constituição

  

PCS e PCI

Gás Combustível PCI (kcal/kg) PCS (kcal/kg) Gás Natural Campos 14.600 16.200 Gás Natural Santos 14.400 16.000 Gás Natural Bolivia 14.900 16.500 GLP 11.000 12.000 Hidrogênio 28.500 33.900 Metano 11.900 13.300 Propano 11.000 12.000 Combustível Solido e liquido Contéudo energético ( kcal/kg) Carvão seco 7.000 Turfa 882 Gasolina 9.600 Petroleo Br 10.800 Urânio 19.000x10 6 Madeira 3.500 Alcool hidratado 6.800

  Conservação de Energia Figura: casa com energia solar passiva.

  energia que entra = energia que sai + energia armazenada Figura: diagrama de blocos de uma termelétrica.

Conservação de Energia

  A entrada total de energia neste sistema é obtida pela soma da energia química do combustível utilizado para o aquecimento da água da caldeira mais a energia do ar

  

(oxigênio) para a combustão mais a energia térmica da água utilizada na refrigeração

do condensador.

  A saída total de energia é obtida pela soma da energia elétrica gerada e exportada pela usina mais a energia térmica da água quente que deixa o condensador e a energia dos gases de combustão emitidos pela chaminé. Nenhuma energia é armazenada, já que a água retorna à caldeira com a mesma energia térmica de quando o processo foi originalmente iniciado.

  A equação da conservação de energia da usina é:

  • E E E E E E
  • = + +

  combustíve l ar água que entra eletricida de gerada água que sai gases de combustão

Eficiências na conversão de energia

  

Ainda que a energia seja conservada num processo de conversão de energia, a

produção de energia útil é sempre menor que a entrada de energia.

  

Por exemplo, da energia elétrica utilizada para alimentar uma lâmpada

incandescente, 4% é transformado em luz (energia útil) e os 96% restantes são

perdidos (energia perdida) sob forma de calor. Diz-se então que a eficiência do

processo de conversão de energia elétrica em luz é de 4%.

  A eficiência de um processo de conversão de energia é definida como: energia útil 100 %

  η = × energia utilizada na conversão

  A parcela de energia que não se transforma em trabalho útil é perdida sob

  Eficiência de alguns sistemas e esquemas de conversão de energia Eficiência de alguns sistemas e esquemas de conversão de energia Sistema/equipamento tipo de conversão eficiência Geradores elétricos mecânica-elétrica 70-99% Motor elétrico elétrica-mecânica 50-95% Fornalha à gás química-térmica 70-95% Turbina de vento mecânica-elétrica 35-50% Termelétrica com combustível fóssil química-térmica-mecânica-elétrica 30-40% Usina nuclear nuclear-térmica-mecânica-elétrica 30-35% Motor automotivo química-térmica-mecânica 20-30% Lâmpada fluorescente elétrica-luminosa 20% Lâmpada incandescente elétrica-luminosa 5% Célula solar luminosa-elétrica 5-28% Fonte:energia e meio ambiente Hinrichs & Kleinbach.

  Exemplo: Considere um gerador elétrico (acionado por uma turbina hidráulica) de 10.000 kW ou 10 MW (Potência efetiva de saída) com eficiência de

  96% .

  E P

E E

A B

Gerador

  Turbina Elétrico de 10 hidráulica

  MW

  Energia entregue pelo gerador em uma hora:

  10 Es = Ps.t = 10.000.000 x 3.600 (W.s = 3,6 x 10 J)

  Es = Ps.t = 10.1 = 10 MWh Energia recebida pelo gerador em uma hora:

  10

  10 Ee = Pe.t = 3,6 x 10 J / 0,96 = 3,75 x 10 J

  Ee = Pe.t = 10,4166 .1 = 10,41 MWh Potência da turbina deverá ser:

  Pt = 10,41 MW = 10.416 kW Potência mecânica transformada em potência térmica:

  Perdas Conversor

  Energia Final Energia Útil

  • do energético e do uso final.

  EF = EU + Perdas Lei da Conservação

  1 a Lei Termodinâmica Balanço de Energia Util e Energia Final Setor Residencial Industrial Transporte ... Eficiência na conversão Uso Final Calor de processo Força Motriz Iluminação ....

E ff [i,j] = E.U [i,j] / E.F [i] i = energético j = uso final Eficiência da conversão para cada setor depende:

Primeira Lei da Termodinâmica

  

A primeira lei da termodinâmica é comumente chamada de "lei da conservação

da energia". Nos cursos elementares de física, o estudo da conservação de

energia dá ênfase às transformações de energia cinética e potencial e suas

relações com o trabalho.

  

Uma forma mais geral de conservação de energia inclui os efeitos de . transferência de calor e a variação de energia interna Primeira Lei

A energia não pode ser criada ou destruída . Só se pode mudá-la de uma

forma para outra, ou só acrescentá-la a um sistema retirando de outro lugar (da vizinhança). Formas de Energia Energia Cinética. Energia que um objeto possui ao se movimentar com determinada velocidade ( macroscópica e dependentes de um referencial externo).

  2

  2 Unidades?

  V V E m ou e = = k k

  2

  2 Energia Potencial. Energia que um objeto possui em função de sua altura quando está submetido a um campo gravitacional( macroscópica).

  E mgh ou e gh

  Unidades?

  = = p p

  

Energia Interna. Energia relacionada à estrutura molecular e sua atividade molecular

e não dependem de referencial externo( microscópica).

  Unidades?

  U ou u

Energia interna (U) :

  

Está associada à energia cinética de translação e rotação

das moléculas.

  

Podem também ser consideradas a energia de vibração e

a energia potencial molecular (atração).

  No caso dos gases ideais, apenas a energia cinética de translação é considerada.

  Portanto, a variação da energia interna (

  U) depende unicamente da variação de temperatura (

  ∆ T).

  

∫ ∫ ∫ ∫

= = = = = ds dt ds ds dv m ds ds ds dt dv

     

  2

  2

  1

  2 v v m v m dv v m ds v ds dv

  F m ds W .

  . . .

  − = ∆ = ∆

  1

  2

  2

  2

  1

  2

  2

  2

  2

  F m ds a m ds W E k . . . . .

  2

     

  − = ∆ = ∆

  2

  2

  2

  1

  2

  2

  V E m ou

  V E m k k

     

  − = = = = = ∫ ∫ ∫

  2

  2

  V e ou V e k k Energia Cinética.

  ( )

  1

  2 2 1 F h h mg s mg ds mg ds W E h h p

  − = = = = = ∆ ∫ ∫ . .

  E h g e ou h mg p p

  ∆ = ∆ = ∆ Energia Potencial.

  Energia Interna.

  energia sensível

  Energia Interna.

  energia latente: arranjos molecular (sólido, líquido ou gasoso) Energias estáticas : .

  armazenadas no sistema Energias dinâmicas (interações de energia): identificadas na

fronteira no sistema e representam a energia ganha ou perdida pelo

sistema. O calor e o trabalho.

  Energias organizada : energia cinética macroscópica, energia . potencial armazenadas no sistema, trabalho Energias aleatória ou desorganizada organizada : energia Energia de um sistema e e e u

  • = +

  E E E U k p = + + k p

  2

  2 v v E m m . g . h U e g . h u

  = + + = + +

  2

  2 Trabalho e calor Calor e trabalho são fenômenos de fronteira. Ambos são observados somente nas fronteiras do sistema, e ambos representam energia atravessando a fronteira do sistema. TRABALHO E CALOR

  • TRABALHO:
  • CALOR: Transferência de energia É uma

    transferência de energia que pode devida a uma diferença de

    causar um movimento contra uma temperatura entre o sistema e as

    força que se opõe a esse vizinhanças (q). movimento (W).

  2 -2

Calor

  

Calor é definido como sendo a forma de energia transferida através da fronteira

de um sistema a uma dada temperatura, a um outro sistema (ou meio ) numa

temperatura inferior, em virtude da diferença de temperatura entre os dois

sistemas. Isto é, o calor é transferido do sistema de maior temperatura ao sistema

de temperatura menor e a transferência de calor ocorre unicamente devido à

diferença de temperatura entre os dois sistemas.

  

Um outro aspecto dessa definição de calor é que um corpo ou sistema nunca contém

calor.

  C alor só pode ser identificado quando atravessa a fronteira. Assim o calor é um fenômeno transitório.

Comparação entre Calor e Trabalho

  Há muita semelhança entre calor e trabalho, que passaremos a resumir: a) O calor e o trabalho são, ambos, fenômenos "transitórios". Os sistemas nunca possuem calor ou trabalho, porém qualquer um deles ou, ambos, atravessam a fronteira do sistema, quando o sistema sofre uma mudança de estado.

  b) Tanto o calor como o trabalho são fenômenos de fronteira. Ambos são observados somente nas fronteiras do sistema, e ambos representam energia atravessando a fronteira do sistema.

  Fornece W < 0 W sistema energia Retira

  W > 0 W sistema energia Fornece q < 0 q sistema calor Retira q > 0 q sistema calor Exemplos: tipos de trabalho trabalho Força motriz mecânico Força física (N) Eixo deferencial Torque (N) hidráulico Pressão (Pa) elétrico Voltagem (V) químico Concnetração (molL

  • 1

  ) Trabalho mecânico:

  Unidade de calor:

  1 caloria = 1cal = calor necessário para elevar a temperatura de um grama de água em um grau Celsius (de 14,0ºC a 15,0ºC).

  W =− ∫

  F dx Trabalho de um gás

Compressão

  O volume diminui e o gás “recebe trabalho“ do meio externo.

  Z W = -P (Vf – Vi) Vf < Vi W > 0 Trabalho de um gás 

  Expansão

  W = -P (V – V ) f i

  V > V f i

  W < 0

O PRIMEIRO PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA

  

Lei da conservação da energia: a energia em um sistema pode

manifestar-se sob diferentes formas como calor e trabalho.

  • A energia pode ser interconvertida de uma forma para outra, mas a

  

quantidade total de energia do universo, isto é, sistema mais meio

externo, conserva-se.

  

A ENERGIA INTERNA DE UM SISTEMA ISOLADO É CONSTANTE

  ∆ = Calor Trabalho

  • U q W

  Variação na trocado realizado energia interna pelo pelo sistema do sistema sistema

  1 a

  Lei: Energia Interna

Mas quem paga a conta?

  • Entrada de Qalor pode patrocinar expansao:

W < 0

  • Saida de Qalor pode resultar em contracao:

  MAS: W tb pode ser realizado/extraido sem troca de calor (= adiabaticamente): Q = 0! P. ex, realizando uma pressao

externa. Para onde vai a energia???

  Sistema Termicamente

  W

  ∆

  U

  Q

W > 0 Reservatorio Termico

  a

  Imagine um gás ideal monoatômico gas que esta inicialmente no estado A e alcança o estado B por um processo isotermico , de B para C por um processos

  isobárico , e de C retorna ao estado inicial A por um processo isovolumétrico .

  Preencha os sinais de Q, W e U em cada etapa.

  ∆ P,

  10

  A Pa

  2

  • - + A B

  →

Q A

  B T=con

  → st

  • - -- + B C

Q C

  A B

  →

  • + + C A

  1

  2 V, Q

  

3

BC

  U = Q + W m ∆ Transformação cíclica

  A transformação cíclica corresponde a uma sequência de transformações na qual o estado termodinâmico final é igual ao estado termodinâmico inicial. Ex: na transformação

  A-B-C- D-E-A abaixo. A primeira lei: conservação da energia ( )

  ∫ ∫

  = = + W dU Q

  δ δ P

  V quantidade diferencial Função do estado

  U=energia interna

  É uma variável de estado termodinâmico, definida como: Sua aplicação é grande em sistemas que envolvem vapores e troca de fase, como em balanços energéticos de ciclos a vapor d’água.

  Entalpia Energia responsável pela formação das subs.

  PV U H

  • =

Segunda Lei da Termodinâmica

  Os processos naturais são Irreversíveis Isto é, eles seguem a flecha do Tempo (atrito; reações químicas; equilíbrio térmico; mistura...) Apenas processos ideais de quase-equilíbrio são reversíveis

  

Será preciso introduzir o conceito de Entropia para o estudo da

irreversibilidade... mas inicialmente vamos entender o significado da segunda lei para máquinas térmicas e refrigeradores =&gt;

  

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

  ■

  Nem todos os processos que satisfazem a 1a. lei podem ocorrer.

  Em geral, um balanço de energia não indica a direção em que o processo irá ocorrer, nem permite distinguir um processo possível de um impossível .

  Para os processos simples a direção é evidente, mas para os casos mais complexos, ou aqueles sobre os quais hajam incertezas, um princípio que serve de guia é muito útil.

  

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

Direção dos Processos

  Corpo quente - esfriamento - equilíbrio Vaso pressurizado vazamento - equilíbrio Queda de um corpo - repouso

  Todos esses casos podem ser revertidos, mas não de modo espontâneo.

  

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

Oportunidade para desenvolver trabalho

    Toda vez que existir um desequilíbrio entre 2 sistemas haverá a oportunidade de realização de trabalho. Se for permitido que os 2 sistemas atinjam o equilíbrio de forma não controlada, a oportunidade de realizar trabalho estará irremediavelmente perdida.

  SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

Trabalho Máximo

    Qual é o limite teórico para a realização do máximo trabalho? Quais são os fatores que impedem que esse máximo seja atingido? A 2a. lei da Termodinâmica propicia os meios para a determinação desse máximo teórico, e a avaliação quantitativa dos fatores que impedem que esse máximo seja alcançado.

  SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

Aspectos da 2a. lei

  A 2a. lei e suas deduções propiciam meios para: ■

  1. predizer a direção dos processos

  ■

  2. estabelecer condições de equilíbrio

  ■

  3. determinar qual o melhor desempenho teórico dos ciclos, motores e outros dispositivos

  ■

  4. avaliar quantitativamente os fatores que impedem que esse melhor desempenho seja atingido

   

  SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

  A 2a. lei é utilizada:

  5. Na definição de uma escala de temperatura que é independente das propriedades de qualquer substância

  ■

  6. no desenvolvimento de meios para avaliar as propriedades, como u e h em termos de outras propriedades que são mais facilmente obtidas experimentalmente.

  SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

  Esses seis pontos devem ser pensados como aspectos da 2a. lei e não como idéias independentes e não relacionadas. A 2a. lei tem sido utilizada também em áreas bem distantes da engenharia, como a economia e a filosofia. Dada essa complexidade de utilização, existem muitas definições para a 2a. Lei.

  Serão apresentadas duas formulações.

  A 2a. lei tem sido verificada experimentalmente em todas as experiências realizadas.

  SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA ENUNCIADO DE KELVIN-PLANCK

  ■

  É impossível para qualquer sistema operar

  em um ciclo termodinâmico e fornecer

  trabalho líquido para sua vizinhança trocando energia na forma de calor com um

  único reservatório térmico .

  SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

  RESERVATÓRIO TÉRMICO

  Classe especial de sistema fechado que mantém constante sua temperatura mesmo que energia esteja sendo recebida ou fornecida pelo sistema (RT).

Exemplos

  Atmosfera Grandes massas de água: oceanos, lagos

  SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

  ■

  É impossível um sistema operar de modo

  único efeito resultante seja a

  que o único transferência de energia na forma de calor, de um corpo frio para um corpo quente .

  Como explicar a existência do Refrigerador?

  SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

Processos Reversíveis

   

  

  Um processo é dito reversível se o sistema e todas as partes da sua vizinhança puderem retornar

  exatamente ao estado inicial.

  

  Todos os processos reais apresentam algum grau de irreversibilidade

  

  Processos totalmente reversíveis são impossíveis de ocorrer.

  

  No entanto, alguns processos, como o escoamento através de um bocal apropriadamente projetado é

  SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

Processos Irreversíveis

    Um processo é irreversível quando o sistema e todas as partes de sua vizinhança não conseguem voltar ao estado inicial.

  SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

Processos Irreversíveis

  Um sistema que passa por um processo irreversível não está impedido de retornar ao seu estado inicial. No entanto se o sistema retornar ao estado inicial não será possível fazer o mesmo com sua vizinhança.

  SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

Processos Irreversíveis

  Alguns efeitos que tornam os processos irreversíveis.

  Transferência de calor com diferença finita de temperatura.

  Expansão não resistida de um gás ou líquido para pressões mais baixas.

  

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

Processos Irreversíveis Reações químicas espontâneas

  Misturas espontâneas de matéria em diferentes composições ou estados.

  Atrito - por escorregamento ou de fluidos. Magnetização ou Polarização com histerese. Deformação não elástica.

  

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

  

  IRREVERSIBILIDES

  As irreversibilidades ocorrem dentro do sistema e na vizinhança e podem ser mais pronunciadas em um ou no outro.

  

  Nesse sentido as irreversibilidades podem ser classificadas como internas ou externas.

  

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

  IRREVERSIBILIDADES

  A definição da fronteira é arbitrária

  

  A classificação das irreversibilidades como internas (relacionadas com o sistema) ou externas (relacionadas com a vizinhança) depende da localização da fronteira.

  

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

  IRREVERSIBILIDADES

  Os engenheiros precisam ter habilidade para reconhecer as irreversibilidades, avaliar sua influência e desenvolver os mecanismos adequados para reduzi-las.

  SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

  IRREVERSIBILIDADES

  Taxas elevadas de transferência de calor, aceleração rápida, taxas de produção elevadas, etc., invariavelmente implicam em irreversibilidade significativas.

  

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

  IRREVERSIBILIDADES

  Irreversibilidades são toleradas em vários graus, para qualquer processo porque as mudanças no projeto e operação necessárias para reduzi-las, implicam em elevados custos.

  

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

  IRREVERSIBILIDADES

  Assim, embora a melhoria do desempenho termodinâmico possa acompanhar a redução das irreversibilidades, o fator custo é um impedimento importante.

Máquinas Térmicas

  Produzem a transformação (parcial) de calor em trabalho utilizando uma substância de trabalho, geralmente operando em processo cíclico.

  Q H = Calor absorvido

  (fonte energética) Q C

  = Calor rejeitado (Q = Q H + Q C )

  H C H C H Q Q Q Q Q W e

  − = + = =

  1

  1 Eficiência Térmica A cada ciclo é produzido uma quantidade de trabalho W.

  Obs.: Potência P = W/ ∆ t

  Refrigeradores Um refrigerador é uma máquina térmica funcionando com um ciclo invertido.

  A cada ciclo é fornecido um trabalho W. Como em uma máquina térmica:

  W Q Q = −

  H C Coeficiente de Performance

  Q Q C C K P = =

  W Q Q H C

  Equivalência entre os enunciados

A violação de um enunciado implica na violação do outro

Ciclo de Carnot (1824)

  

Melhor rendimento pode ser obtido evitando processos irreversíveis, que envolvam

diferenças finitas de temperatura entre sistema e reservatórios =&gt; transformações isotérmicas e adiabáticas:

  ) / ln( ) / ln(

  V T e

  T e = − =

  H C Carnot H C H C Carnot T T Q Q e T

  γ γ γ γ Assim:

  

=

− − − −

  1 = ⇒

=

  1

  1

  1

  V T / /

  V T

  V T

  1

  V V

  V V

  

C c b H

  &lt; = = &gt; = = d c a b

C d a H

  V V nRT W Q − = − =

  V V nRT W Q

  V V T Q Q e

  V V T

  C c d cd C

H a b ab H

  H a b C d c H C

  1 ) / ln( ) / ln(

  

Nos processos adiabáticos bc e da:

Ciclo de Carnot e a Segunda Lei Enunciado de Carnot (rendimento máximo): Nenhuma máquina térmica pode ter eficiência superior à da máquina de Carnot operando entre as mesmas temperaturas extremas. (Vale analogamente para refrigeradores)

  Q T C C = ⇒

  Q T H H Carnot T T HC e e ≤ = Carnot

  T H T C K K PCarnot = T T H CCorolário e escala Kelvin:

  • Toda máquina de Carnot funcionando entre dadas temperaturas tem a mesma eficiência, independentemente da substância de trabalho.
  • A razão entre 2 temperaturas pode ser definida, independentemente da

  

substância termométrica, como a razão entre os calores absorvido e rejeitado

  

Equivalência entre os enunciados de Carnot e Kelvin-Planck

A existência de uma máquina com eficiência superior à de Carnot implica na violação do postulado de Kelvin-Planck.

  Eficiência Térmica Eficiência Térmica

  Q Q Q cycle

  − W H L L

  1 η ≡ = = − th

  Q Q H H Q in

  Nunca pode ser 1 pela lei da &gt;

  η

conservação da energia É uma medida

da eficiência de um ciclo de potência

  

Para o Ciclo Reversível

Para o Ciclo Reversível

  H L rev H

  L T T Q Q = 

     or

  L L H H T Q T Q =

  Isto permite escrever: cycle

  T Q

     

    δ

  T Q T Q L L H H = − =

  EFICIÊNCIA TÉRMICA EFICIÊNCIA TÉRMICA

  T T T cycle

  W − H L L

  1 ≡ = = − η th

  T T H H Q in

  Essa eficiência é chamada de EFICIÊNCIA DE CARNOT.

  • • Nenhum ciclo operando entre as duas

    mesmas temperatura poderá ter uma

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