Calor & TrabalhoTermodinâmica

Em elaboração: Prof. Patrícia

2009

Termodinâmica

Estuda conversão entre calor e trabalho

M T carro em movimento freando

T M locomotiva a vapor ou um reator nuclear

Queima de carvão fissão do urânioCalor absorvido pela água, que provoca vaporizaçãoVapores em expansão, realizam trabalho mecânico

Energia mecânica

Energia térmica

Trabalho e calor trocado entre gás e o meio

Gás – sistema em estudo

Convenção de sinais:

W>zeroW<zero

Transformação

P1

V1

T1

U1

P2

V2

T2

U2

Estado 1 Estado 2

Transformação

Variáveis de estado Variáveis de estado

Processos Durante a transformação

Isotérmico T = constante (temperatura invariável)

Isobárico P = constante (Pressão invariável)

Isovolumétrico V = constante (volume constante)

Adiabático Q = 0 (troca de calor com a vizinhança é nula).

Processos“Caminho” descrito pelo sistema na transformação.

U = variação de energia interna

Energia Interna de um gás ideal U

U depende da quantidade de gás e de sua temperatura

1a Lei da Termodinâmica

Lei Geral da Conservação da Energia

Q = W + ΔU

W = 0

Processo isovolumétrico

U = Q - W

W = Po [VB-VA]

Processo isobárico

Êmbolo movimentado lentamente

∆U = 0 → ∆T=0

Primeira Lei: Q = W + ΔU

ΔU = Q – W Q = W

Termodinâmica - Processo Isotérmico

Movimento rápido do êmbolo.

W = -   ∆U = - n·Cv·∆T

Primeira Lei da Termodinâmica

∆U = Q - WQ = 0 → ∆U= - W

Trabalho transforma-se em calor

O processo ocorre tão rapidamente que o sistema

não troca calor com o exterior.

Q = 0

WÁrea sob o gráfico

Termodinâmica - Processo adiabático

3.- W = W = área 12341

W > 0 → Q 0

O sentido do ciclo no diagrama PV :  horário. O sistema recebe Q e entrega W

1a Lei da Termodinâmica∆U = Q – W

Q =  W [no ciclo, ΔU = 0]

1.- ∆U = ∆U = 0 [no ciclo, Tfinal = Tinicial]

2.- Q = Q

Processos cíclicos – ciclo de Carnot

“Trabalham” em ciclos.

Máquinas Térmicas

A máquina de Denis Papin1647 - 1712

FONTE QUENTE

De onde a máquina retira calor

QHot.

FONTE FRIA

Para onde a máquina rejeita calor

QCold

Trabalho

W

Ciclo de Otto

Para ver um pouco mais:http://www.poli.br/arquivos/DOWNLOADS/RELAT%D3RIO%20DE%20ESTAGIO/ELETRONICA/Max%20Luiz/MOTOR%20DE%20CICLO%20OTTO.pdf

http://www.mspc.eng.br/termo/termod0520.shtml

Ciclo Diesel

Para ver um pouco mais:http://www.mspc.eng.br/termo/termod0520.shtml

Modelo dos reservatórios térmicos

Eficiência térmica: 1ªLei

Em cada ciclo

Eficiência = W/Q1= (Q1-Q2)/Q1

ε = [1 – Q2/Q1]

∆U = 0

W = Q1-Q2

Carnnot: é fundamental a diferença de temperatura para que a máquina térmica funcione.

Ciclo de Brayton - Introduçãohttp://www.mspc.eng.br/termo/termod0530.shtml

Também denominado ciclo de Joule, é o processo teórico dos motores de turbina a gás. A Figura apresenta dá o esquema básico.

Entre 1 e 2 o ar é comprimido de forma adiabática por um compressor tipo axial.

Entre 1 e 2 o ar é comprimido de forma adiabática por um compressor tipo axial.

Ao passar pelo queimador ou câmara de combustão (de 2 a 3), o ar se expande devido ao fornecimento de calor pelo processo de combustão. Isso ocorre supostamente sob pressão constante porque a forma construtiva da câmara oferece pouca resistência ao fluxo.

O ar aquecido pela combustão movimenta uma turbina num processo teoricamente adiabático (de 3 a 4).

Saindo da turbina, o ar troca calor com o ambiente num processo claramente isobárico.

Ciclo de Brayton

Compressor e turbina são montados no mesmo eixo, de forma que uma parte do trabalho fornecido é usado no próprio processo de compressão.

Turbinas a gás são usadas principalmente em aviões e na geração de energia elétrica, mas há também embarcações e mesmo veículos terrestres com esse tipo de motor.

Portanto, o trabalho produzido pode ser extraído em forma de acionamento mecânico ou fluxo de ar no caso de uma turbina aeronáutica.

Ciclo RankineCiclos termodinâmicos usuais para fornecer

trabalho: Otto, Diesel, Brayton. Uma característica comum desses ciclos é o

contato direto da combustão com o gás de operação (ar). Isso demanda o emprego de combustíveis nobres, no estado líquido ou gasoso, como gasolina, álcool, óleo diesel, querosene, gás natural.

Naturalmente, motores Otto, Diesel ou turbinas a gás não podem ser usados quando o calor é oriundo da queima de combustíveis sólidos ou residuais, como carvão, lenha, bagaço, óleo pesado, etc.

Para esses casos, o vapor d'água é a alternativa padrão: o combustível é queimado numa caldeira que produz vapor que, por sua vez, produz trabalho utilizável.

Vapor é também utilizado no caso especial da fonte de calor ser uma reação de fissão atômica, ou seja, em usinas nucleares.

A Figura dá o esquema simplificado de uma instalação para produzir trabalho a partir do vapor: na maioria das vezes é usada uma máquina tipo turbina, acionada pelo vapor produzido pela caldeira (ou gerador de vapor).

http://www.mspc.eng.br/termo/termod0540.shtml

650 K

400 K

Qual é o rendimento máximo possível de uma máquina térmica que opere entre as fontes de 650 K e 400 K?

ε = 1 - T2/T1 = 1 – [400/650] = 0,61 ou = 61%