MQUINAS TRMICAS

PROFESSOR: JARDEL DE JESUS

5.

INTRODUO

Por onde comear o estudo dessa disciplina?

Usaremos Fenmenos de Transporte, que envolve conceitos

associados da Mecnica dos Fluidos, Termodinmica e de

Transmisso de Calor para aplicarmos nas Mquinas Trmicas.

A Termodinmica a primeira de trs disciplinas que, juntas,

formam o que costumase chamar de Engenharia de Sistemas

Trmicos, ou Termocincias.

A Termodinmica, a Mecnica dos Fluidos e a Transferncia de

Calor esto intimamente ligadas.

TERMODINMICA:

Estuda o tratamento da energia e das relaes entre as

propriedades da matria.

Nasceu no sculo XVIII com o surgimento das mquinas

trmicas (revoluo industrial).

Termodinmica a cincia que descreve:

Os Estados da matria e sistemas

As Leis de Conservao

A direo de processos naturais

Lei Zero da Termodinmica

Se dois corpos estiverem em equilbrio trmico com um

terceiro, eles estaro em

equilbrio trmico um com o

outro!

O calor recebido por um sistema

igual soma entre a variao da

energia interna do sistema e o trabalho

efetuado pelo sistema

1 Lei da Termodinmica

2 Lei da Termodinmica

impossvel remover energia trmica de um sistema a uma

certa temperatura e converter

integralmente a energia removida

em trabalho mecnico.

No existe um mquina trmica que tenha 100% de rendimento

Sistema: refere-se a uma substncia ou grupo de substncias

consideradas separadamente para estudo.

Sistema fechado: Temos uma quantidade fixa de matria,

no existe fluxo de massa atravs de suas fronteiras.

Sistema aberto: Ocorre troca de matria, existe fluxo de

massa atravs de suas fronteiras.

Isolados: No trocam massa nem energia sob nenhuma

forma com o

ambiente

Adiabticos: No trocam calor com o ambiente.

Estado:

O Estado de um Sistema a sua condio fsica determinada

pelas molculas que o compe.

Ex: presso, temperatura, volume especifico.

Processo:

Um processo a mudana de um estado para outro

dentro de um sistema.

Ciclo:

Ciclo uma sucesso de processos onde o estado final se

confunde com o estado inicial.

Temperatura:

uma propriedade termodinmica que indica o grau

de agitao das molculas de um sistema. T(C) = T(K) 273,15

T(R) = 1,8 T(K)

T(F) = T(R) 459,67

T(F) = 1,8 T(C) + 32

Equilbrio Trmico:

o estado termodinmico alcanado por um sistema e sua

vizinhana aps eles terem postos em contato trmico por um

tempo suficientemente grande, atravs de uma parede que

possibilite a troca de calor.

- Instvel -

- Metaestvel

- Estvel

Volume especifico:

o volume ocupado pela unidade de massa.

Massa especfica:

Massa especfica o inverso do volume especifico.

Introduo

Sculo XVIII: o homem descobriu como obter trabalho a

partir de um fluxo de calor.

A Mquina a Vapor (trmica) foi inventada: o calor liberado

pela queima de carvo e madeira transformava gua em

vapor que ento produzia trabalho. Bombeava a gua das

minas, movia trens e navios, tocava as fbricas, transportava

cargas.

Consequncia: Revoluo Industrial do sculo XIX.

Questionava-se: como avaliar a quantidade mxima de

trabalho que poderia ser obtida a partir de uma dada

quantidade de combustvel.

Introduo Questionava-se: Se uma locomotiva abastecida de carvo

pode me levar daqui a SP, com uma mquina a vapor mais

eficiente ser que eu poderia fazer uma viagem maior?

Nicolas Lonard Sadi Carnot, jovem engenheiro militar

francs, resolveu o problema de se calcular o rendimento

mximo de uma mquina trmica.

Mquina Trmica: qualquer aparelho ou dispositivo para

transformar calor em trabalho. Seu funcionamento est

relacionado a trs fatos:

1) Recebe calor de uma fonte quente temperatura

constante T1.

2) Rejeita calor para algo frio uma temperatura T2.

3) Realiza (ou recebe) trabalho.

Mquinas Trmicas

Um dispositivo muito til para

compreender a segunda lei da

termodinmica a mquina

trmica

Uma mquina trmica um

dispositivo que converte

energia interna em outras

formas teis de energia, tal

como energia cintica

A locomotiva a vapor obtm

sua energia por meio da

queima de madeira ou carvo

Aplicaes das Mquinas trmicas

Segundo Princpio da Termodinmica

Consideremos um sistema de temperaturas diferentes que esto

em contato e isolado da vizinhana por paredes adiabticas.

Depois de um tempo, os corpos estaro em equilbrio

termodinmico, devido o fluxo de calor do corpo 1 ao corpo 2.

A energia total do sistema permanece a mesma.

Se pensarmos no processo inverso. possivel?

O que determina o sentido em que o processo natural ter lugar?

A segunda lei da termodinmica

determina o sentido preferencial

do processo termodinmico.

Os processos termodinmicos

que ocorrem na natureza so

todos IRREVERSVEIS.

Esses processos so aqueles que

ocorrem em determinados

sentidos e no ocorrem no

sentido contrrio.

Processos Reversveis e Irreversveis

Processos Reversveis e Irreversveis

Se um processo real ocorrer muito lentamente, de tal forma

que o sistema esteja sempre muito prximo do equilbrio,

esse processo pode ser considerado como reversvel

Comprimir um gs muito lentamente ao deixar cair sobre o

pisto sem atrito alguns gros de areia

Areia

Reservatrio de calor

Exemplo

Compresso isotrmica e reversvel:

Cada gro de areia

adicionado representa uma

pequena mudana para um

novo estado de equilbrio

O processo pode ser

revertido pela lenta

remoo dos gros de areia

do pisto

O estado aleatrio ou o grau de desordem do estado final de

um sistema pode ser relacionado ao sentido da realizao de

um processo natural.

A converso de energia mecnica em calor envolve

um aumento de desordem do sistema.

Desordem e Processos Termodinmicos

A segunda lei da termodinmica introduz uma funo de

estado chamada ENTROPIA que permanece constante

ou aumenta em qualquer processo possvel, em um

sistema isolado.

ENTROPIA:

A segunda lei da termodinmica introduz uma funo de

estado chamada ENTROPIA que permanece constante ou

aumenta em qualquer processo possvel, em um sistema

isolado.

Uma funo de estado uma funo que descreve uma relao

entre duas ou mais variveis de estado que definem o estado de um

sistema termodinmico.

Entropia

A varivel de estado relacionada com o Segundo

Princpio da Termodinmica, a entropia S

A ideia de entropia surgiu no seguimento de uma funo criada

pelo fsico alemo Rudolf Clausius (1822-1888). Expressou a

entropia em escala macroscpica pela primeira vez em 1865

q

q

f

f

T

Q

T

Q

q

f

q

f

T

T

Q

Q

A partir da equao que descreve a mquina de

Carnot

Os sistemas isolados tendem desordem e a entropia

uma medida dessa desordem

Obteve a relao a razo Q/T tem um

significado especial

Entropia

T

QdS r

Se Qr for o calor transferido quando o sistema segue

uma trajetria reversvel entre dois estados, a variao

da entropia, independentemente da trajetria real

seguida, igual a

f

i

r

T

QS

integro dS

Baixa entropia Alta entropia

Mquina trmica carrega alguma

substncia que trabalha por um

processo cclico durante o qual:

(1) a substncia que trabalha

absorve energia do calor de

um reservatrio de energia

em alta temperatura;

(2) o trabalho realizado pelo

motor;

(3) a energia expelida pelo

calor para um reservatrio em

temperatura mais baixa.

Mquinas Trmicas Impossveis: Enunciado de

Kelvin-Planck

W

TH

QH

impossvel construir uma mquina trmica que

opera num ciclo termodinmico e no produza

outros efeitos alm trabalho e troca de calor com um

nico reservatrio trmico.

Pois, essa mquina converteria 100% do calor

fornecido em trabalho. Induz ao conceito de eficincia.

0U

Mquinas Trmicas Impossveis: Enunciado de Clausius

impossvel construir uma mquina trmica que opera

segundo um ciclo termodinmico e que no produza

outros efeitos alm da transferncia de calor de um corpo

frio para um corpo quente. Pois impossvel construir

um refrigerador que opere sem receber trabalho.

W= 0

TH

TL

QH

QL

Espontaneidade

Em sntese:

A primeira lei proibe a criao ou destruio da energia;

Enquanto que a segunda lei limita a disponibilidade da energia e os modos de

conservao e de uso da energia.

Mquina Trmica Configurao A

possvel operar?

impossvel pois viola a primeira lei termodinmica.

W Realizado

TH

TL

QH

QL

Mquina Trmica Configurao B

possvel operar ?

possvel pois no viola a primeira, nem a segunda

lei Termodinmica.

W Realizado

TH

TL

QH

QL

Mquinas Trmicas Configurao C

possvel operar?

possvel pois no viola a primeira nem a segunda

lei termodinmica.

As configuraes B e C podem funcionar e so o

reverso uma da outra, da a expresso mquina

trmica reversvel.

W recebido

TH

TL

QH

QL

Os processos reais seguem um sentido preferencial

o Segundo Princpio da Termodinmica que

determina as direes em que ocorrem os

fenmenos naturais

O calor no fli espontaneamente de um corpo frio para um corpo quente

Formulao alternativa do segundo princpio da termodinmica

Bomba de calor impossvel

impossvel existir uma bomba de calor ou

frigorfico (refrigerador) que absorve calor de um

reservatrio frio e transfere uma quantidade de

calor equivalente para um reservatrio quente

sem a realizao de trabalho externo.