05 Termodinamica

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Segunda Lei da Termodinmica Enunciados Identificando Irreversibilidades Aplicaes em Ciclos Termodinmicos Anlise de 2 Reservatrios Ciclo de Carnot Desigualdade de Clausius

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<ul><li> 1. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Sumrio Segunda Lei da Termodinmica Enunciados Identificando Irreversibilidades Aplicaes em Ciclos Termodinmicos Anlise de 2 Reservatrios Ciclo de Carnot D i ld d d Cl iDesigualdade de Clausius 24/09/2009 15:31Termodinmica Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel 1 </li></ul><p> 2. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Introduo1 Lei da Termodinmica Conservao de Energia durante um processo.2 Lei da Termodinmica: Sentido dos processos Qualidade da energiaUm processo s ocorre se respeitar a 1 e a 2 Lei. 24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel 2 3. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Sentido dos processos pTi &gt; T 0: Diminuio de energia interna do corpo aumento deenergia interna da vizinhana. O processo iinverso nunca ocorre espontaneamente.Processo inverso: Diminuio da energia interna da vizinhana paraaquecimento do corpo de T0 at Ti 24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel 3 4. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Sentido dos processos ppi &gt; p0: O ar escoa-se espontaneamente das presses mais altaspara as mais baixas. O processo i inverso nunca ocorre espontaneamente.Processo inverso: O ar no se escoa espontaneamente da vizinhana presso po para o reservatrio presso pi 24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel 4 5. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Sentido dos processos pzi &gt; 0: A massa suspensa a uma cota zi cai quando o cabo cortado O processo i inverso nunca ocorre espontaneamente.Processo inverso: A massa no se eleva espontaneamente para a cota zi 24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel 5 6. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Processos InversosOs processos inversos necessitam de um dispositivopara voltar ao estado i i i l ltt d inicial. objeto reaquecido at a temperatura inicial ar pode voltar ao depsito inicial. massa pode ser levantada at a sua posio inicial.Em nenhum dos casos houve violao da 1 Lei da Termodinmica.Termodinmica 24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel6 7. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA 2 Lei da Termodinmica A 2 Lei da Termodinmica permite definir o sentido dosprocessos.processos Um processo s ocorre se forem respeitadas a1 Lei e 2 Lei. Quando abandonamos um sistema ele tendeespontaneamente para o equilbrio com a vizinhana. rapidamente como em algumas reaes qumicas. em alguns minutos (gua com gelo) em anos: b barra d f de ferro se d f desfazendo pelo efeito d f dl f it da ferrugem.A 2 Lei no est limitada identificao do sentido dos processos. Ela estabelece se a energia contm qualidade e quantidade para isso.24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel 7 8. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Reservatrios de CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICAenergia trmicagCapacidade trmica = calor especfico x massa = kJ/kg K x kg = kJ/K kJ/kg.KCapacidade trmica elevada: pode receber grandes quantidades de calor sem aumentar a suatemperatura.Pode ser conseguido de trs modos:gMassa elevada: grandes volumes:oceanos, lagos,oceanos lagos rios e atmosferaatmosfera.Calor especfico elevado: substncia emmudana de fase: sub. em fuso; guacondensao/evaporao.Caldeira: temperatura constante. 24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel8 9. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Reservatrios de CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICAenergia trmicag Reservatrio que fornece energia sob aforma de Calor : FONTE ou FONTE QUENTE.Reservatrio que recebe energia sob aforma de Calor : POO ou FONTE FRIA. 24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel9 10. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICAMquinas trmicasq O trabalho pode ser facilmente convertido em calormas o iinverso s acontece utilizando uma M i ttili dMquinaTrmica: 24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel10 11. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Caracterizao de uma CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICAMquina Trmica q Recebe calor de uma fonte quente (temperatura elevada);Convertem calor em trabalho geralmente em um eixo.Rejeitam calor para uma fonte fria fria.Funcionam em ciclo F i i lFluido para o qual transferido calor fluido caloportadorcaloportador. 24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel 11 12. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE A verdadeira CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Mquina Trmica q O termo Mquina Trmica por vezes utilizado emsentido l t ou seja, ditid lato,j dispositivos que produzem iti dtrabalho a partir de calor Turbina a gs e Motor deAutomvel.A t l No funcionam em um ciclo termodinmico.Funcionam em um ciclo mecnico. Mquina Trmica por excelncia : Central Trmica a q pVapor 24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel12 13. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICACentral trmica a vaporp Qadm= quantidade de energia transferida na caldeira, soba forma de calor para o fluido operante calor, operante. Qsai= quantidade de energia transferida, sob a forma decalor, do fluido operante para uma fonte a baixatemperatura Wadm= quantidade de energia fornecida p fluido, sob aq gpeloforma de trabalho, na turbina. Wsai= quantidade de energia fornecida ao fluido, sob aforma de trabalho, na bomba Qadm, Qsai, Wadm, Wsai so tudo quantidades positivas. 24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel 13 14. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICACentral trmica a vaporp Cada um dos quatro componen- tes um sistema aberto.aberto Todos os componentes so atravessados pelo mesmo fluxo mssico.Wlquido= Wsai Wentra= WoutWinWWQlquido= Qentra Qsai =QinQout O conjunto de todos os componentes um sistema fechado: U = Qlquido Wlquido = 0Qlquido=Wlquido = Qentra Qsai 24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel14 15. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPERelembrando... CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICARendimento trmico Wlquido = Qentra Qsai; se Qsai &gt; 0 Wlquido &lt; Qentra24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel 15 16. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE O que acontece CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICAenergia que sai?g q As Centrais Trmicas desperdiam, no condensador,grandes quantidades d calor para os ld tid d de llagos, rios, etc.i t Ser possvel reaproveitar essa energia? A resposta clara: NOExemplo: Mquina Trmica ppq para elevar p pesosTi=30 C QIN=100 kJ; TQ=100 CC, CWliq= 15 kJ = Ep; Tfinal= 90 CSer possvel transferir novamente transferir, novamente, 85 kJ para a fonte a 100 C ? A resposta : NO24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel16 17. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICASegunda lei da termodinmicag Enunciado de Kelvin-Planck impossvel a qualquer sistema que funcione em um ciclo termodinmico fornecer uma quantidade lquida detrabalho vizinhana recebendo energia apenas de umsimples reservatrio. 24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel 17 18. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Enunciado de Kelvin-PlanckKelvin- Todas as mquinas trmicas desperdiam energia. Uma mquina trmica nunca tem um rendimento de100%.100% Para uma central trmica funcionar tem que trocarcalor com o meio ambiente e uma caldeira caldeira. Rendimento &lt; 100% nada tem a ver com atrito oudissipao. O rendimento depende apenas da temperaturas dafonte fria e da fonte quente24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel 18 19. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPEEnunciado de Clausius CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA((1 Corolrio) )Enunciado de Clausius (1 Corolrio) i impossvel a qualquer sistema f i llitfuncionar d t l de talmodo que o nico resultado seja a transferncia deenergia de um corpo frio para um corpo quente quente. mais intuitivo que o de Kelvin-Planck Kelvin-Planck. A energia, sob a f ib forma d calor, nunca fl ide lfluiespontaneamente das temperaturas mais baixas paraas mais altas necessrio um equipamento para o altas.calor fluir das baixas para as altas temperaturas: compressor no ciclo frigorfico de compresso compresso. adio de calor no ciclo de absoro. Os enunciados de K l in Pl nck e d Cl usius s postulados equivalentes. nunci d s d Kelvin-Planck de Clausius so p stul d s qui l nt s 24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel 19 20. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPEMquina de movimento CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICAp pperptuo de 2 espcie p Todo o calor produzido transformado em trabalho. trabalho Existem perdas e o rendimento de 80%.Saldo de energia para o exterior : g pEx: Central Trmica sem condensador. Qadm &gt; Wbalano.Respeita a 1 LeiViola a 2 Lei da Termodinmica (Ausncia de Fonte Fria)24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel 20 21. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Processos reversveis e CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA irreversveis Qual o rendimento mximo possvel para umamquina t i ? i trmica? Processo irreversvel : o sistema e todas as partes davizinhana no podem voltar exatamente ao estadopinicial, depois de o processo ter ocorrido. Processo reversvel : o sistema e a sua vizinhanapodem voltar ao estado inicial. 24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel 21 22. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPEFatores que provocam CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA irreversibilidadesFatores que provocam irreversibilidades: Atrito (rolamento, escoamento de fluidos) (rolamento Expanso no-resistida de uma gs ou lquido at umapresso mais baixa Transferncia de calor com diferena finita detemperatura. Fluxo de corrente eltrica atravs de uma resistncia. Magnetizao ou polarizao com histeresehisterese. Deformao plstica dos corpos. Reao qumica espontnea Mistura espontnea de matria em estados oucomposies diferentes p 24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel 22 23. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Importncia dos CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA processos reversveis pTodos os processos reais so irreversveis. Importncia dos processos reversveis referenciais limites tericos - dos processos reaisreais. mais fceis de analisar. Os sistemas que esto sujeitos a processos reversveis: produzem o mximo de trabalho. consomem o mnimo de trabalho.Quanto melhor o projeto menor ser a irreversibilidade.24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel 23 24. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Processos reversveis Processos reversveis internos e externos Um processo reversvel no pode ter irreversibilidades. Processo internamente reversvel: no ocorremirreversibilidades no interior da fronteira do sistemadurante o processo. Sucesso de estados de equilbrio. Na inverso do processo o sistema passa exatamentepelos mesmos estados. Os caminhos de ida e retorno socoincidentes.24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel 24 25. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Processos reversveis Processo externamente reversvel: no existemirreversibilidades fi ibilid d fora d sistemado i t Processo reversvel = Processo internamentereversvel + Processo externamente reversvel No tem diferenas finitas de temperaturas Nenhuma variao finita de presso.presso Nenhum atrito. Nenhum efeito dissipativo 24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel 25 26. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICAPrincpios de CarnotpA 2 Lei permite concluir que: Uma mquina trmica no pode funcionar atravsda troca de calor com um s reservatrio. Um refrigerador ou uma bomba de calor no podemfuncionar sem fornecimento de trabalho. O rendimento de uma mquina trmicaOirreversvel sempre inferior a uma mquinareversvel que funciona entre as mesmas fontes.(2 Corolrio)24/09/2009 15:31 Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel 26 27. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA 2 Corolrio Dem: Se fosse possvel, ao se por a funcionar umaDem:mquina t i reversvel como b b d calor i trmica lbomba de lobter-se-ia, a partir da fonte fria, uma quantidade detrabalho,t b lh o que violaria a segunda l ii l i d lei. 24/09/2009 15:31 27 28. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA 3 CorolrioOs rendimentos de todas as mquinas trmicasreversveis f i i funcionando entre as mesmas d d duasfontes so iguais. (3 Corolrio) Dem: Caso contrrio haveria um rendimento maiorDem:que o de uma mquina trmica reversvel, o quecontaria o 2 Corolrio da 2 Lei 24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel 28 29. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA 4 e 5 CorolrioPode definir-se uma escala de temperaturastermodinmica (i ddi i (independente d qualquer d de lsubstncia termomtrica) e que fornece um zeroabsoluto (inatingvel) (4 Corolrio) (inatingvel)O rendimento d qualquer mquina trmica di de l i ireversvel, operando entre mais de 2 reservatrios,ser inferior ao que se verificaria com apenas 2reservatrios a temperaturas extremas(5 Corolrio) 24/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel 29 30. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Desigualdade de Clausius CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICAou 6 CorolrioQuando um sistema realiza um ciclodQ T0 Nota: a igualdade s vlida para ciclos reversveis (6 Corolrio)Portanto, para qualquer mquina trmica reversvel, tem-se: Q1 T1 = Q2 T224/09/2009 15:31Termodinmica - Aula 4 - Prof. Douglas Bressan Riffel 30 31. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Ciclos de Potncia A entrada de trabalho lquido igual transfernciade l lquidad calor l id para o ciclo:i l...</p>