A 2a Lei da Termodinâmica

Download A 2a Lei da Termodinâmica

Post on 23-Jun-2015

1.401 views

Category:

Education

4 download

Embed Size (px)

DESCRIPTION

2a Lei da Termodinmica: Enunciado de Kelvin-Planck e Desigualdade de Clausius. Enunciado Entrpico. Performance tima e Performance Real. Ciclos de Carnot. Reversibilidade e Irreversibilidade de Ciclos

TRANSCRIPT

<ul><li> 1. Engenharia AmbientalGEN123 TermodinmicaProf. Dr. Mrcio Marques Martinshttp://digichem.org</li></ul><p> 2. Captulo 5A Segunda Lei daTermodinmica 3. Resultados de AprendizagemDemonstrar compreenso de conceitos-chave como os relacionados segunda leida termodinmica, incluindo afirmaesalternativas da segunda lei, algunsprocessos internamente reversveis, e escalade temperatura de Kelvin.Listar diversas e importantesirreversibilidades. 4. Resultados de AprendizagemAvaliar a performance de ciclos deenergia, refrigerao e aquecimento usandoos corolrios das sees 5.6.2 e 5.7.2, juntocom as equaes 5.9-5.11.Descrever o ciclo de Carnot.Interpretar a desigualdade de Clausiuscomo expressado pela equao 5.13. 5. Aspectos da 1a e 2a Leis da TD1a lei: Segundo os princpios deconservao de massa e energia, massa eenergia no podem ser criados ou destrudos.Para um processo, os princpios deconservao de massa e energia indicam adisposio de massa e energia mas noindicam se o processo pode realmenteocorrer.2a lei: A segunda lei da termodinmicaprov um princpio-guia para saber se umprocesso pode ocorrer. 6. Introduo Segunda LeiUma xcara de cafno se aquecesozinha em umasala fria.Transferircalor a umfio nogerareletricidade.Transferir calor auma roda de psno far com queela gire.Esses processosno podemocorrer, mesmo seeles no violarema primeira lei!!! 7. Aspectos da 2a Lei da TDpredizer a direo do processo.estabelecer condies para o equilbrio.determinar a performance terica mxima deciclos, motores, etc.definir uma escala de temperatura absoluta.desenvolver meios de avaliar propriedades taiscomo u e h em termos de propriedades que so maisfacilmente obtidas experimentalmente.A segunda lei da TD tem muitos aspectos:A 2a lei tem sido usada em filosofia, economia,e outras disciplinas. 8. 2a Lei da TD: Enunciados alternativosDesigualdade de ClausiusEnunciado de Kelvin-PlanckEnunciado da EntropiaNo h nenhum enunciado simples quecapture todos os aspectos da segunda lei.Diversas formulaes alternativas da 2alei so encontradas na literatura. 3 delas so: 9. 2a Lei da TD: Enunciados alternativosO foco desse captulo (5) est nas definies deClausius e de Kelvin-Planck.A Entropia desenvolvida e aplicada noCaptulo 6.Como em cada lei fsica, a base da segunda leida termodinmica a evidncia experimental.Porquanto as 3 formas aqui apresentadas noso demonstrveis em laboratrio, deduespodem ser verificadas experimentalmente, e issoinfere a validade dos enunciados da 2a lei. 10. Enunciado de Clausiusda Segunda Lei impossvel para qualquer sistema operar de talforma que o nico resultado seja umatransferncia de energia de um corpo frio para umcorpo quente. Define adireo doprocesso. 11. Reservatrio trmicoUm reservatrio trmico um sistemaque sempre permanece a temperaturaconstante mesmo se energia for adicionadaou removida por transferncia de calor.Uma fontequenteforneceenergia naforma decalor, euma fontefriaabsorve-o.Tal sistema aproximado pelaatmosfera da terra,lagos e oceanos,assim como porum bloco slido decobre, p. ex. 12. Exemplos:OceanosLagosAtmosfera terrestre(Qualquer qtd massivade material)Reservatrio trmico 13. Enunciado de Kelvin-Planck da 2a Lei impossvel para qualquer sistema operar emciclos termodinmicos e entregar umaquantidade lquida de energia por trabalho vizinhana enquanto recebe energia portransferncia de calor de um nico reservatriotrmico.NO! SIM! 14. Enunciado de Kelvin-Planck da 2a Lei impossvel converter (em um ciclo) todoo calor em trabalho til.Ciclos no so 100% eficientes.Sempre existem algumas imperfeiesdevido a irreversibilidadesA definio de entropia e da segunda leiso diretamente ligadas esse enunciado. 15. Podemos armazenar Qsai em uma mquina trmica?Cada mquina trmica devedesperdiar alguma energiatransferindo-a para um reservatriode baixa temperatura a fim decompletar o ciclo, mesmo sobcondies ideais.Remove Load!Um ciclo de mquina trmica nopode ser completado sem doaode calor para a fonte fria.Em uma planta deenergia a vapor, ocondensador odispositivo ondegrandes quantidadesde calor residual soentregues a rios,lagos ou atrmosfera.Poderamos retirar ocondensador daplanta e armazenartod o calordesprezado?A resposta ,infelizmente, nodesde que sem umdescarte de calor oprocesso no pode secompletar. 16. A Segunda Lei da Termodinmica:Enunciado de KelvinPlanckAcima, uma mquinatrmica que viola oenunciado de KelvinPlanck da segunda lei. impossvel para qualquerdispositivo que opera emciclos receber calor de umnico reservatrio e produziruma qualidade lquida detrabalho.Nenhuma mquina trmica pode teruma eficincia trmica de 100%, paraque uma planta de energia opere, ofluido de trabalho deve trocar calorcom a vizinhana e com o forno.A impossibilidade de ter umamquina trmica 100% eficiente nodeve-se frico ou outros efeitosdissipativos. uma limitao que seaplica tanto s maquinas trmicasideais quanto reais. 17. Enunciado Entrpico da 2a LeiMassa e energia so exemplos familiares depropriedades extensivas usadas em termodinmica.Entropia outra importante propriedadeextensiva. Como a entropia avaliada e aplicadaser discutido mais adiante (captulo 6).Ao contrrio de massa e energia, que soconservados, entropia produzida dentro dossistemas sempre que no-idealidades tais comofrico esto presentes. 18. Enunciado Entrpico da 2a Lei impossvel para qualquersistema operar de uma formaque entropia seja destruda.O Enunciado Entrpico : 19. EntropiaEntropia produzida dentro dossistemas quando irreversibilidades estopresentes.Idealizao de processos utilizadapara calcular as melhores performancestericas.Esse enunciado discutido nocaptulo 6 do livro de Moran e Shapiro. 20. IrreversibilidadesUm dos mais importantes usos da 2a lei emengenharia determinar a performance tericatima (ou mxima) dos sistemas.Por comparao da performance real com aterica, vislumbres acerca dos potenciais deotimizao da performance real podem serobtidos. 21. IrreversibilidadesPerformances tericas timas so avalidas emtermos de processos idealizados.Processos reais so distinguveis dosidealizados pela presena de no-idealidades chamadas de irreversibilidades. 22. Irreversibilidades ComumenteEncontradas na PrticaTransferncia de calor atravs de umadiferena de temperatura finita.Expanso irrestrita de um gs ou lquido parauma presso menor.Reao qumica espontneaMistura espontnea de matria em diferentesestado fsicos ou de composio.Frico frico por atrito (como a que ocorrecom fluidos escoando em tubulaes) 23. Irreversibilidades ComumenteEncontradas na PrticaFluxo de corrente eltrica atravs de umaresistnciaMagnetizao ou polarizao com histereseDeformao inelsticaTodos os processos reais envolvem efeitoscomo os listados, incluindo processosnaturais ou provocados por dispositivos porns construdos do mais simplesmecanismo maior planta industrial. 24. Processos Reversveis e Irreversveisdentro do sistema, oudentro das fronteiras (geralmente bemprximo s fronteiras), oudentro tanto do sistema quanto dasfronteiras.Durante um processo de umsistema, irreversibilidadespodem estar presentes: 25. Processos Reversveis e IrreversveisUm processo irreversvel quandoirreversibilidades esto presentes dentro dosistema e/ou suas fronteiras.Todos os processos reais soirreversveis.Um processo reversvel quando noexistem irreversibilidades presentes dentro dosistema ou de suas fronteiras.Esse tipo de processo totalmente ideal. 26. Processos Reversveis e IrreversveisUm processo internamente reversvelquando no existem irreversibilidadespresentes dentro do sistema.Irreversibilidades podem estar presentesdentro das fronteiras do sistema, entretranto.Um processo internamente reversvel um processo de quase-equilbrio (Seo2.2.5). 27. Exemplo: Processos InternamenteReversveisgua contida dentro de um pisto-cilindro evaporada forma lquido saturado para vapor saturado a100C. Quando a gua evapora, ela passa por umasequncia de estados de equilbrio enquanto ocorretransferncia de calor para a gua vinda dos gasesde combusto a 500oC.Tais trocas espontneasde calor causamirreversibilidade nasvizinhanas: umairreversibilidade externa.Para o sistema contendo gua no existemirreversibilidades internas, mas 28. 2a Lei da TD (cont.) 29. Qualquer dispositivo que viole a 1a ou 2a lei datermodinmica chamada de mquina de moto-perptuo.- Se o dispositivo viola a primeira lei (criandoenergia), ela uma mquina de moto-perptuode primeira espcie (MMP1).- Se o dispositivo viola a segunda lei, ela uma itis a mquina de moto-perptuo de segundaespcie (MMP2)A despeito de inmeras tentativas, no seconhece nenhuma mquina de moto-perptuoque funcione. Se algo parece bom demais praser verdade, desconfie!Mquinas de moto-perptuo 30. Mquinas de moto-perptuo: exemploUma mquina de moto-perptuoque viola a primeira lei (MMP1).Uma mquina de moto-perptuoque viola a segunda lei (MMP2).Mquina de moto-perptuo: Dispositivo que viola a primeira ou segunda leida termodinmica.Um dispositivo que viola a primeira lei (ao criar energia MMP1).Um dispositivo que viola a segunda lei chamado MMP2. 31. Processos ocorrem em umacerta direo, e no nadireo inversa.Um processo deve satisfazertanto a 1a quanto a 2a leis daTD para acontecer.PRINCIPAIS USOS DA SEGUNDA LEI1. A 2a lei pode ser usada para indicar a direo dos processos.2. A 2a lei afirma que energia tem qualidade bem como quantidade. A 1a leilida com a quantidade de energia e com as transformaes de energia deuma forma para outra. A 2a lei fornece os meios necessrios paradeterminar a qualidade bem como o grau de degradao da energiadurante um processo.3. A 2a lei da TD tambm usada para determinar os limites tericos paraa performance comumente usados em sistemas de engenharia, tais comomquinas de aquecimento e refrigeradores, bem como prever o grau deavano de reaes qumicas.2a Lei: Reviso 32. A Qualidade da EnergiaA frao de calor que podeser convertido a trabalhocomo uma funo datemperatura da fonte.Quanto maior atemperatura da energiatrmica, maior suaqualidade.Q: Como elevar a eficincia de umamquina de Carnot? E quanto smquinas trmicas reais?A: Pode-se usarC ou F paratemperaturaaqui?A: Fornecendo calor fonte quente a TH eremovendo calor da fonte fria a TCA: NO 33. Forma analtica do enunciado de Kelvin-PlanckWciclo 0&lt; 0: Irreversibilidades Internas presentes= 0: Sem irreversibilidades internasnicoreservatrio(Eq. 5a) NO! impossvel para qualquer dispositivo queopere em ciclos receber calor de um nicoreservatrio e produzir trabalho lquidoPara qualquer sistema sofrendo umciclo termodinmico enquanto trocaenergia por transferncia de calorcom um nico reservatrio trmico,o trabalho lquido, Wciclo, pode serapenas negativo ou zero nuncapositivo: 34. Mquinas TrmicasTrabalho podesempre serconvertido a calordireta ecompletamente,mas o contrriono verdade.Parte do calorrecebido pelamquina trmica convertida emtrabalho, enquantoo resto rejeitadopara o sumidouro.Um dispositivo que converte calorem trabalho chamado demquina trmica.1. Eles recebem calor de uma fonte aalta temperatura (energia solar,forno a leo, reator nuclear, etc.).2. Convertem parte desse calor emtrabalho (geralmente girando umeixo.)3. Rejeitam o calor remanescente emum sumidouro de calor atemperaturas baixas (atmosfera,rios, etc.).4. Operam em ciclos.Mquinas trmicas e outrosdispositivos cclicos normalmenteenvolvem um fluido para e do qualcalor transferido enquanto sofre umciclo. o fluido de trabalho. 35. Exemplo de Mquina Trmica: Planta de energia a vaporUma poro de trabalho desada de uma mquina trmica consumido internamentepara manter a operaocontnua. 36. Algumasmquinastrmicasfuncionammelhor queoutras(convertemmaiorquantidade decalor recebidoem trabalho)Esquema deuma mquinatrmicaAplicando a 2a lei a ciclos: Eficincia trmicaMotor 1 maiseficiente! 37. Para um sistema sofrendo um ciclo um ciclo deenergia enquanto comunica-se termicamente comdois reservatrios trmicos, um reservatrio quentee um frio,(Eq. 5b)HCHcycleQQQW 1a eficincia trmica de tal ciclo Aplicao da 2a leia Ciclos de Energia:Interagindocom Dois Reservatrios Trmicos 38. Aplicao da 2a leia Ciclos de Energia:Interagindocom Dois Reservatrios TrmicosAplicando o enunciado de Kelvin-Planck da 2a lei,Eq. 5a, trs concluses so obtidas. Sf QC=0(=100%) um reservatrio e produz trabalho!!! :1. O valor da eficincia trmica deve ser menorque 100%. Apenas uma poro do calor transferidoQH pode ser obtido como trabalho e o oremanescente QC descarregado pela transfernciade calor ao reservatrio frio.Duas outras concluses, chamados Corolrios deCarnot, so: (prximo slide) 39. Corolrios Carnot (Ciclos de Energia)1. A eficincia trmica de um ciclo deenergia irreversvel sempre menor quea eficincia trmica de um ciclo de energiareversvel quando cada um opera entre osmesmos dois reservatrios trmicos.(Menos trabalho produzido em um cicloirreversvel!) 40. Corolrios Carnot (Ciclos de Energia)2. Todos os ciclos de energiareversveis operando entre os doismesmos reservatrios trmicos tem amesma eficincia trmica. 41. Corolrios Carnot (Ciclos de Energia)Um ciclo considerado reversvel quando (1) noexistem irreversibilidades dentro do sistemaenquanto ele passa pelo ciclo e (2) transfernciasde calor entre o sistema e os reservatrios ocorrerreversivelmente. 42. Uma planta de energia a vapor produz 50 MW detrabalho lquido enquanto queima combustvel paraproduzir 150 MW de energia calorfica a altatemperatura. Determine: (a) a eficincia do ciclotrmico (b) o calor rejeitado pelo ciclo para avizinhana.thnet outHWQMWMW ,.501500 333 or 33.3%W Q QQ Q WMW MWMWnet out H LL H net out,, 150 50100Exemploa)b)SOLUO: 43. Aplicaes Ciclos de Refrigerao eAquecimento Interagindo com DoisReservatrios TrmicosPara um sistema sofrendo um ciclo de refrigerao ouum de aquecimento enquanto comunica-setermicamente com dois reservatrios trmicos, umquente e um frio,(Eq. 5c)CHCcycleCQQQWQo coeficiente de performancepara o ciclo de refrigerao (Eq. 5d)CHHcycleHQQQWQe para o de aquecimento 44. Aplicaes Ciclos de Refrigerao eAquecimento Interagindo com DoisReservatrios TrmicosAo aplicar a definio de Kelvin-Planck da 2a lei,Eq. 5a, 3 concluses so obtidas:1. Para ocorrer o efeito de refrigerao uma entradade trabalho lquido Wciclo requerida. O coeficiente deperformance deve ter valor finito. Se o trabalho nulo ento o sistema transferir QC da fonte fria para afonte quente (enquanto sofre um ciclo)! Isso viola oprincpio de Clausius da 2a lei) 45. Aplicaes Ciclos de Refrigerao eAquecimento Interagindo com DoisReservatrios Trmicos2. O coeficiente de performance de um ciclo derefrigerao irreversvel sempre menor que ocoeficiente de performance de um ciclo derefrigerao reversvel quando cada um opera entreos mesmos reservatrios trmicos. (Mais trabalho requerido para o ciclo irreversvel!)3. Todos os ciclos de refrigerao reversveisoperando entre os dois mesmos reservatriostrmicos tm os mesmos coeficientes deperformance. 46. Quando instalado aocontrrio um ar condicionadofunciona como um aquecedor...</p>