LEIS DA TERMODINÂMICA E LEIS DA TERMODINÂMICA E ANÁLISE DE SISTEMAS DE ANÁLISE DE SISTEMAS DE

CONVERSÃO DE ENERGIACONVERSÃO DE ENERGIA

GREEN – Grupo de Pesquisa em Reciclagem, Eficiência Energética e Simulação Numérica

Faculdade de Zootecnia e Eng. de Alimentos

Universidade de São Paulo

Sistemas energéticosSistemas energéticos• Energia é uma grandeza física que obedece a um princípio

de conservação, por isso:– Nenhum sistema (processo) pode criar / destruir energia– Sempre obedecendo a tal premissa, os sistemas são, portanto,

capazes tão somente de transformar (converter) uma dada forma de energia em outra e/ou de transferir energia entre si

• Assim, os sistemas energéticos podem ser classificados em:– Sistemas para transformação (conversão) de energia– Sistemas para transferência (troca) de energia– Exemplos: usinas (hidrelétricas, termelétricas, geotérmicas,

eólicas, a energia solar, a biomassa, etc.), corpo humano, trocadores de calor, sistemas de ar-condicionado, sistemas de cogeração / trigeração, células de combustível, automóveis, aviões, sistemas de bombeamento, sistemas de refrigeração...

Sistemas para troca de energiaSistemas para troca de energia• Exemplos:

– “HVACR” (heating, ventilation, air conditioning, refrigeration)

– Trocadores de calor / refervedores

– Sistemas de refrigeração de componentes eletrônicos

– Sistemas de processamento térmico (ex: coluna de destilação)

• Esquema clássico:

Energia (entrada)

Energia perdida / rejeitada (calor)

Energia (saída)Sistema

Sistemas para troca de energiaSistemas para troca de energiaRefervedores

Resfriadores (a ar)

Trocadores de calor

Torres (colunas) de destilação / fracionamento

Sistemas para conversão de energiaSistemas para conversão de energia• Exemplos:

– Turbinas: a vapor, a gás, hidroelétricas, eólicas, etc.– Motores: à combustão interna, elétricos, etc.– Fornos / reatores químicos diversos– Bombas, compressores, sopradores, etc.

• Esquema clássico:

Fonte de energia:•renovável•não-renovável

Energia convertida:•potência elétrica•potência mecânica

Sistema

Energia perdida / rejeitada (calor)

Resíduos / poluentes

Sistemas para conversão de energiaSistemas para conversão de energiaTurbinas

Reatores químicos

Bombas / compressores Fornos

Motores

Leis da TermodinâmicaLeis da Termodinâmica

• 1a Lei → definição da propriedade “energia”– Formas de transferência de energia → trabalho, calor

– Balanço energético → caráter quantitativo, sem impor restrições aos processos de transferência / conversão

• 2a Lei → definição da propriedade “entropia”– Princípio da irreversibilidade: a entropia de um sistema

isolado nunca diminui ⇒ para dado processo: ∆Ssist ≥ 0

– Balanço entrópico → geração de entropia:

Caráter qualitativo: energia “nobre” x energia “pobre”

Entropia gerada e irreversibilidadeEntropia gerada e irreversibilidade

• Idealizações → processos quase-estáticos– Ausência de dissipações / atritos– Transferência total de calor → A ou ∆T infinitas

• Imperfeições → processos espontâneos– Atrito, processos dissipativos; expansão livre– Transferência parcial de calor → A ou ∆T finitas

• Definição:– Teorema de Gouy-Stodola:

– Componentes da irreversibilidade:

IWWWWI −=⇒−= revrealrealrev

g0 STI =ε∆=

intrevit III +=

Exergia e máximo trabalho útilExergia e máximo trabalho útil

• 1a + 2a Leis → definição da propriedade “exergia”

– Componentes da exergia:

– Exergia térmica:

– Exergia física:

– Variação de exergia:

• Caracterização do meio inativo (meio morto)

– Máximo trabalho possível → equilíbrio c/ o meio inativo

– Temperatura, pressão, composição química

termpotcin ε+ε+ε=ε

quimfisterm ε+ε=ε

prestempfis ε+ε=ε

)()( 1201221 ssThh −−−=ε∆ →