a 2a lei da termodinâmica

75
Engenharia Ambiental GEN123 Termodinâmica Prof. Dr. Márcio Marques Martins http://digichem.org

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2a Lei da Termodinâmica: Enunciado de Kelvin-Planck e Desigualdade de Clausius. Enunciado Entrópico. Performance Ótima e Performance Real. Ciclos de Carnot. Reversibilidade e Irreversibilidade de Ciclos

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Page 1: A 2a Lei da Termodinâmica

Engenharia Ambiental

GEN123 –Termodinâmica Prof. Dr. Márcio Marques Martins

http://digichem.org

Page 2: A 2a Lei da Termodinâmica

Capítulo 5

A Segunda Lei da

Termodinâmica

Page 3: A 2a Lei da Termodinâmica

Resultados de Aprendizagem

►Demonstrar compreensão de conceitos-

chave como os relacionados à segunda lei

da termodinâmica, incluindo afirmações

alternativas da segunda lei, alguns

processos internamente reversíveis, e escala

de temperatura de Kelvin.

►Listar diversas e importantes

irreversibilidades.

Page 4: A 2a Lei da Termodinâmica

Resultados de Aprendizagem

►Avaliar a performance de ciclos de

energia, refrigeração e aquecimento usando

os corolários das seções 5.6.2 e 5.7.2, junto

com as equações 5.9-5.11.

►Descrever o ciclo de Carnot.

►Interpretar a desigualdade de Clausius

como expressado pela equação 5.13.

Page 5: A 2a Lei da Termodinâmica

Aspectos da 1a e 2a Leis da TD

►1a lei: Segundo os princípios de

conservação de massa e energia, massa e

energia não podem ser criados ou destruídos.

►Para um processo, os princípios de

conservação de massa e energia indicam a

disposição de massa e energia mas não

indicam se o processo pode realmente

ocorrer.

►2a lei: A segunda lei da termodinâmica

provê um princípio-guia para saber se um

processo pode ocorrer.

Page 6: A 2a Lei da Termodinâmica

Introdução à Segunda Lei

Uma xícara de café

não se aquece

sozinha em uma

sala fria.

Transferir

calor a um

fio não

gerará

eletricidade.

Transferir calor a

uma roda de pás

não fará com que

ela gire.

Esses processos

não podem

ocorrer, mesmo se

eles não violarem

a primeira lei!!!

Page 7: A 2a Lei da Termodinâmica

Aspectos da 2a Lei da TD

►predizer a direção do processo.

►estabelecer condições para o equilíbrio.

►determinar a performance teórica máxima de ciclos, motores, etc.

►definir uma escala de temperatura absoluta.

►desenvolver meios de avaliar propriedades tais

como u e h em termos de propriedades que são mais

facilmente obtidas experimentalmente.

A segunda lei da TD tem muitos aspectos:

A 2a lei tem sido usada em filosofia, economia,

e outras disciplinas.

Page 8: A 2a Lei da Termodinâmica

2a Lei da TD: Enunciados alternativos

►Desigualdade de Clausius

►Enunciado de Kelvin-Planck

►Enunciado da Entropia

►Não há nenhum enunciado simples que

capture todos os aspectos da segunda lei.

►Diversas formulações alternativas da 2a

lei são encontradas na literatura. 3 delas são:

Page 9: A 2a Lei da Termodinâmica

2a Lei da TD: Enunciados alternativos

►O foco desse capítulo (5) está nas definições de

Clausius e de Kelvin-Planck.

►A Entropia é desenvolvida e aplicada no

Capítulo 6.

►Como em cada lei física, a base da segunda lei

da termodinâmica é a evidência experimental.

►Porquanto as 3 formas aqui apresentadas não

são demonstráveis em laboratório, deduções

podem ser verificadas experimentalmente, e isso

infere a validade dos enunciados da 2a lei.

Page 10: A 2a Lei da Termodinâmica

Enunciado de Clausius

da Segunda Lei “É impossível para qualquer sistema operar de tal

forma que o único resultado seja uma

transferência de energia de um corpo frio para um

corpo quente.”

• Define a

direção do

processo.

Page 11: A 2a Lei da Termodinâmica

Reservatório térmico

►Um reservatório térmico é um sistema

que sempre permanece a temperatura

constante mesmo se energia for adicionada

ou removida por transferência de calor.

Uma fonte

quente

fornece

energia na

forma de

calor, e

uma fonte

fria

absorve-o.

►Tal sistema é

aproximado pela

atmosfera da terra,

lagos e oceanos,

assim como por

um bloco sólido de

cobre, p. ex.

Page 12: A 2a Lei da Termodinâmica

Exemplos:

Oceanos

Lagos

Atmosfera terrestre

(Qualquer qtd massiva de material)

Reservatório térmico

Page 13: A 2a Lei da Termodinâmica

Enunciado de Kelvin-Planck da 2a Lei

“É impossível para qualquer sistema operar em

ciclos termodinâmicos e entregar uma

quantidade líquida de energia por trabalho à

vizinhança enquanto recebe energia por

transferência de calor de um único reservatório

térmico”.

NÃO! SIM!

Page 14: A 2a Lei da Termodinâmica

Enunciado de Kelvin-Planck da 2a Lei

►É impossível converter (em um ciclo) todo

o calor em trabalho útil.

►Ciclos não são 100% eficientes.

►Sempre existem algumas imperfeições

devido a “irreversibilidades”

►A definição de entropia e da segunda lei

são diretamente ligadas à esse enunciado.

Page 15: A 2a Lei da Termodinâmica

Podemos armazenar Qsai em uma máquina térmica?

Cada máquina térmica deve

desperdiçar alguma energia

transferindo-a para um reservatório

de baixa temperatura a fim de

completar o ciclo, mesmo sob

condições ideais.

Remove Load!

Um ciclo de máquina térmica não

pode ser completado sem doação

de calor para a fonte fria.

Em uma planta de

energia a vapor, o

condensador é o

dispositivo onde

grandes quantidades

de calor residual são

entregues a rios,

lagos ou à atrmosfera.

Poderíamos retirar o

condensador da

planta e armazenar

tod o calor

desprezado?

A resposta é,

infelizmente, não

desde que sem um

descarte de calor o

processo não pode se

completar.

Page 16: A 2a Lei da Termodinâmica

A Segunda Lei da Termodinâmica:

Enunciado de Kelvin–Planck

Acima, uma máquina

térmica que viola o

enunciado de Kelvin–

Planck da segunda lei.

“É impossível para qualquer

dispositivo que opera em

ciclos receber calor de um

único reservatório e produzir

uma qualidade líquida de

trabalho.”

Nenhuma máquina térmica pode ter

uma eficiência térmica de 100%, para

que uma planta de energia opere, o

fluido de trabalho deve trocar calor

com a vizinhança e com o forno.

A impossibilidade de ter uma

máquina térmica 100% eficiente não

deve-se à fricção ou outros efeitos

dissipativos. É uma limitação que se

aplica tanto às maquinas térmicas

ideais quanto reais.

Page 17: A 2a Lei da Termodinâmica

Enunciado Entrópico da 2a Lei

►Massa e energia são exemplos familiares de

propriedades extensivas usadas em termodinâmica.

►Entropia é outra importante propriedade

extensiva. Como a entropia é avaliada e aplicada

será discutido mais adiante (capítulo 6).

►Ao contrário de massa e energia, que são

conservados, entropia é produzida dentro dos

sistemas sempre que não-idealidades tais como

fricção estão presentes.

Page 18: A 2a Lei da Termodinâmica

Enunciado Entrópico da 2a Lei

“É impossível para qualquer

sistema operar de uma forma

que entropia seja destruída”.

O Enunciado Entrópico é:

Page 19: A 2a Lei da Termodinâmica

Entropia

►Entropia é produzida dentro dos

sistemas quando irreversibilidades estão

presentes.

►Idealização de processos é utilizada

para calcular as melhores performances

teóricas.

►Esse enunciado é discutido no

capítulo 6 do livro de Moran e Shapiro.

Page 20: A 2a Lei da Termodinâmica

Irreversibilidades

►Um dos mais importantes usos da 2a lei em

engenharia é determinar a performance teórica

ótima (ou máxima) dos sistemas.

►Por comparação da performance real com a

teórica, vislumbres acerca dos potenciais de

otimização da performance real podem ser

obtidos.

Page 21: A 2a Lei da Termodinâmica

Irreversibilidades

►Performances teóricas ótimas são avalidas em

termos de processos idealizados.

►Processos reais são distinguíveis dos

idealizados pela presença de não-idealidades –

chamadas de irreversibilidades.

Page 22: A 2a Lei da Termodinâmica

Irreversibilidades Comumente

Encontradas na Prática

►Transferência de calor através de uma

diferença de temperatura finita.

►Expansão irrestrita de um gás ou líquido para

uma pressão menor.

►Reação química espontânea

►Mistura espontânea de matéria em diferentes

estado físicos ou de composição.

►Fricção – fricção por atrito (como a que ocorre

com fluidos escoando em tubulações)

Page 23: A 2a Lei da Termodinâmica

Irreversibilidades Comumente

Encontradas na Prática

►Fluxo de corrente elétrica através de uma

resistência

►Magnetização ou polarização com histerese

►Deformação inelástica

Todos os processos reais envolvem efeitos

como os listados, incluindo processos

naturais ou provocados por dispositivos por

nós construídos – do mais simples

mecanismo à maior planta industrial.

Page 24: A 2a Lei da Termodinâmica

Processos Reversíveis e Irreversíveis

►dentro do sistema, ou

►dentro das fronteiras (geralmente bem

próximo às fronteiras), ou

►dentro tanto do sistema quanto das

fronteiras.

Durante um processo de um

sistema, irreversibilidades

podem estar presentes:

Page 25: A 2a Lei da Termodinâmica

Processos Reversíveis e Irreversíveis

►Um processo é irreversível quando

irreversibilidades estão presentes dentro do

sistema e/ou suas fronteiras.

Todos os processos reais são

irreversíveis.

►Um processo é reversível quando não

existem irreversibilidades presentes dentro do

sistema ou de suas fronteiras.

Esse tipo de processo é totalmente ideal.

Page 26: A 2a Lei da Termodinâmica

Processos Reversíveis e Irreversíveis

►Um processo é internamente reversível

quando não existem irreversibilidades

presentes dentro do sistema.

►Irreversibilidades podem estar presentes

dentro das fronteiras do sistema, entretranto.

Um processo internamente reversível é

um processo de quase-equilíbrio (Seção

2.2.5).

Page 27: A 2a Lei da Termodinâmica

Exemplo: Processos Internamente

Reversíveis Água contida dentro de um pistão-cilindro evapora

da forma líquido saturado para vapor saturado a

100ºC. Quando a água evapora, ela passa por uma

sequência de estados de equilíbrio enquanto ocorre

transferência de calor para a água vinda dos gases

de combustão a 500oC.

►Tais trocas espontâneas

de calor causam

irreversibilidade nas

vizinhanças: uma

irreversibilidade externa.

►Para o sistema contendo água não existem

irreversibilidades internas, mas…

Page 28: A 2a Lei da Termodinâmica

2a Lei da TD (cont.)

Page 29: A 2a Lei da Termodinâmica

Qualquer dispositivo que viole a 1a ou 2a lei da

termodinâmica é chamada de máquina de moto-

perpétuo.

- Se o dispositivo viola a primeira lei (criando

energia), ela é uma máquina de moto-perpétuo

de primeira espécie (MMP1).

- Se o dispositivo viola a segunda lei, ela é uma it

is a máquina de moto-perpétuo de segunda

espécie (MMP2)

A despeito de inúmeras tentativas, não se

conhece nenhuma máquina de moto-perpétuo

que funcione. Se algo parece bom demais pra

ser verdade, desconfie!

Máquinas de moto-perpétuo

Page 30: A 2a Lei da Termodinâmica

Máquinas de moto-perpétuo: exemplo

Uma máquina de moto-perpétuo

que viola a primeira lei (MMP1).

Uma máquina de moto-perpétuo

que viola a segunda lei (MMP2).

Máquina de moto-perpétuo: Dispositivo que viola a primeira ou segunda lei

da termodinâmica.

Um dispositivo que viola a primeira lei (ao criar energia MMP1).

Um dispositivo que viola a segunda lei é chamado MMP2.

Page 31: A 2a Lei da Termodinâmica

Processos ocorrem em uma

certa direção, e não na

direção inversa.

Um processo deve satisfazer

tanto a 1a quanto a 2a leis da

TD para acontecer.

PRINCIPAIS USOS DA SEGUNDA LEI

1. A 2a lei pode ser usada para indicar a direção dos processos.

2. A 2a lei afirma que energia tem qualidade bem como quantidade. A 1a lei

lida com a quantidade de energia e com as transformações de energia de

uma forma para outra. A 2a lei fornece os meios necessários para

determinar a qualidade bem como o grau de degradação da energia

durante um processo.

3. A 2a lei da TD é também usada para determinar os limites teóricos para

a performance comumente usados em sistemas de engenharia, tais como

máquinas de aquecimento e refrigeradores, bem como prever o grau de

avanço de reações químicas.

2a Lei: Revisão

Page 32: A 2a Lei da Termodinâmica

A Qualidade da Energia

A fração de calor que pode

ser convertido a trabalho

como uma função da

temperatura da fonte.

Quanto maior a

temperatura da energia

térmica, maior sua

qualidade.

Q: Como elevar a eficiência de uma

máquina de Carnot? E quanto às

máquinas térmicas reais?

A: Pode-se usar

C ou F para

temperatura

aqui?

A: Fornecendo calor à fonte quente a TH e

removendo calor da fonte fria a TC

A: NÃO

Page 33: A 2a Lei da Termodinâmica

Forma analítica do enunciado de Kelvin-Planck

Wciclo ≤ 0 < 0: Irreversibilidades Internas presentes

= 0: Sem irreversibilidades internas único

reservatório

(Eq. 5a) NÃO!

“É impossível para qualquer dispositivo que

opere em ciclos receber calor de um único

reservatório e produzir trabalho líquido”

Para qualquer sistema sofrendo um

ciclo termodinâmico enquanto troca

energia por transferência de calor

com um único reservatório térmico,

o trabalho líquido, Wciclo, pode ser

apenas negativo ou zero – nunca

positivo:

Page 34: A 2a Lei da Termodinâmica

Máquinas Térmicas

▲Trabalho pode

sempre ser

convertido a calor

direta e

completamente,

mas o contrário

não é verdade.

◄Parte do calor

recebido pela

máquina térmica é

convertida em

trabalho, enquanto

o resto é rejeitado

para o sumidouro.

Um dispositivo que converte calor

em trabalho é chamado de

máquina térmica.

1. Eles recebem calor de uma fonte a

alta temperatura (energia solar,

forno a óleo, reator nuclear, etc.).

2. Convertem parte desse calor em

trabalho (geralmente girando um

eixo.)

3. Rejeitam o calor remanescente em

um sumidouro de calor a

temperaturas baixas (atmosfera,

rios, etc.).

4. Operam em ciclos.

Máquinas térmicas e outros

dispositivos cíclicos normalmente

envolvem um fluido para e do qual

calor é transferido enquanto sofre um

ciclo. É o fluido de trabalho.

Page 35: A 2a Lei da Termodinâmica

Exemplo de Máquina Térmica: Planta de energia a vapor

Uma porção de trabalho de

saída de uma máquina térmica

é consumido internamente

para manter a operação

contínua.

Page 36: A 2a Lei da Termodinâmica

Algumas

máquinas

térmicas

funcionam

melhor que

outras

(convertem

maior

quantidade de

calor recebido

em trabalho)

Esquema de

uma máquina

térmica

Aplicando a 2a lei a ciclos: Eficiência térmica

Motor 1 é mais

eficiente!

Page 37: A 2a Lei da Termodinâmica

Para um sistema sofrendo um ciclo um ciclo de

energia enquanto comunica-se termicamente com

dois reservatórios térmicos, um reservatório quente

e um frio,

(Eq. 5b)

H

C

H

cycle

Q

Q

Q

W 1

a eficiência térmica de tal ciclo é

Aplicação da 2a lei

a Ciclos de Energia:Interagindo

com Dois Reservatórios Térmicos

Page 38: A 2a Lei da Termodinâmica

Aplicação da 2a lei

a Ciclos de Energia:Interagindo

com Dois Reservatórios Térmicos

Aplicando o enunciado de Kelvin-Planck da 2a lei,

Eq. 5a, três conclusões são obtidas. Sf QC=0

(η=100%) um reservatório e produz trabalho!!! :

1. O valor da eficiência térmica deve ser menor

que 100%. Apenas uma porção do calor transferido

QH pode ser obtido como trabalho e o o

remanescente QC é descarregado pela transferência

de calor ao reservatório frio.

Duas outras conclusões, chamados Corolários de

Carnot, são: (próximo slide)

Page 39: A 2a Lei da Termodinâmica

Corolários Carnot (Ciclos de Energia)

1. A eficiência térmica de um ciclo de

energia irreversível é sempre menor que

a eficiência térmica de um ciclo de energia

reversível quando cada um opera entre os

mesmos dois reservatórios térmicos.

(Menos trabalho é produzido em um ciclo

irreversível!)

Page 40: A 2a Lei da Termodinâmica

Corolários Carnot (Ciclos de Energia)

2. Todos os ciclos de energia

reversíveis operando entre os dois

mesmos reservatórios térmicos tem a

mesma eficiência térmica.

Page 41: A 2a Lei da Termodinâmica

Corolários Carnot (Ciclos de Energia)

Um ciclo é considerado reversível quando (1) não

existem irreversibilidades dentro do sistema

enquanto ele passa pelo ciclo e (2) transferências

de calor entre o sistema e os reservatórios ocorrer

reversivelmente.

Page 42: A 2a Lei da Termodinâmica

Uma planta de energia a vapor produz 50 MW de

trabalho líquido enquanto queima combustível para

produzir 150 MW de energia calorífica a alta

temperatura. Determine: (a) a eficiência do ciclo

térmico (b) o calor rejeitado pelo ciclo para a

vizinhança. th

net out

H

W

Q

MW

MW

,

.50

1500 333 or 33.3%

W Q Q

Q Q W

MW MW

MW

net out H L

L H net out

,

,

150 50

100

Exemplo

a)

b)

SOLUÇÃO:

Page 43: A 2a Lei da Termodinâmica

Aplicações à Ciclos de Refrigeração e

Aquecimento Interagindo com Dois

Reservatórios Térmicos Para um sistema sofrendo um ciclo de refrigeração ou

um de aquecimento enquanto comunica-se

termicamente com dois reservatórios térmicos, um

quente e um frio,

(Eq. 5c) CH

C

cycle

C

QQ

Q

W

Q

o coeficiente de performance

para o ciclo de refrigeração é

(Eq. 5d) CH

H

cycle

H

QQ

Q

W

Q

e para o de aquecimento é

Page 44: A 2a Lei da Termodinâmica

Aplicações à Ciclos de Refrigeração e

Aquecimento Interagindo com Dois

Reservatórios Térmicos

Ao aplicar a definição de Kelvin-Planck da 2a lei,

Eq. 5a, 3 conclusões são obtidas:

1. Para ocorrer o efeito de refrigeração uma entrada

de trabalho líquido Wciclo é requerida. O coeficiente de

performance deve ter valor finito. Se o trabalho é

nulo então o sistema transferirá QC da fonte fria para a

fonte quente (enquanto sofre um ciclo)! Isso viola o

princípio de Clausius da 2a lei)

Page 45: A 2a Lei da Termodinâmica

Aplicações à Ciclos de Refrigeração e

Aquecimento Interagindo com Dois

Reservatórios Térmicos

2. O coeficiente de performance de um ciclo de

refrigeração irreversível é sempre menor que o

coeficiente de performance de um ciclo de

refrigeração reversível quando cada um opera entre

os mesmos reservatórios térmicos. (Mais trabalho é

requerido para o ciclo irreversível!)

3. Todos os ciclos de refrigeração reversíveis

operando entre os dois mesmos reservatórios

térmicos têm os mesmos coeficientes de

performance.

Page 46: A 2a Lei da Termodinâmica

Quando instalado ao

contrário um ar condicionado

funciona como um aquecedor.

►Todas essas conclusões também se aplica, a sistemas passando por ciclos de aquecimento entre as fontes quente e fria.

Aplicações à Ciclos de Refrigeração e

Aquecimento Interagindo com Dois

Reservatórios Térmicos

►Taxa de eficiência energética (EER): A quantidade de calor removido de um espaço frio em Btu por um Wh (watt-hora) de eletricidade consumida.

Page 47: A 2a Lei da Termodinâmica

• Muitos aquecedores em operação hoje têm um COP de 2-3.

• Muitos aquecedores existentes usam o ar externo como

fonte de calor no inverno (air-source HP).

• Em climas frios sua eficiência diminui consideravelmente

quando as temperaturas estão abaixo de zero.

• Em tais casos, bombas de calor geotérmicas (energia do

solo) que usam o solo como fonte de calor podem ser

usadas. Tais bombas de calor são mais caras para instalar,

mas são mais eficientes.

• Condicionadores de Ar são basicamente refrigeradores

cujos espaços refrigerados são uma sala ou uma construção

ao invés do compartimento da comida.

• O COP de um refrigerador diminui com a diminuição da

temperatura de refrigeração. Entretanto, não é econômico

refrigerar a uma temperatura abaixo da necessária.

Performance de AC & Aquecedores

Page 48: A 2a Lei da Termodinâmica

Exemplo

a)

b)

SOLUÇÃO:

kW 0.417

kJ/h 3600

kW 1kJ/h) 1500(

kJ/h 150033004800

in LH QQW

2.2kJ/h 1500

kJ/h 3300COP

inW

QL

Um setor de comida é mantido a −12°C por um

refrigerador em um ambiente a 30°C. O ganho total de

calor desse setor é estimado em 3300 kJ/h e a rejeição

de calor no condensador é 4800 kJ/h. Determine (a) a

entrada de energia no compressor, em kW e (b) o COP

do refrigerador.

Page 49: A 2a Lei da Termodinâmica

Continuação

Page 50: A 2a Lei da Termodinâmica

Corolários de Carnot(Ciclos de Energia)

1. A eficiência térmica de um ciclo de

energia irreversível é sempre menor

que a eficiência térmica de um ciclo de

energia reversível quando ambos

operam entre os mesmos 2 reservatórios

térmicos.

Page 51: A 2a Lei da Termodinâmica

Corolários de Carnot(Ciclos de Energia)

2. Todos os ciclos de energia

reversíveis operando entre os

mesmos 2 reservatórios térmicos têm

a mesma eficiência térmica.

Page 52: A 2a Lei da Termodinâmica

Corolários de Carnot(Ciclos de Energia)

Um ciclo é considerado reversível quando

(1) não existem irreversibilidades dentro do

sistema à medida que ele sofre o ciclo e (2)

transferências de calor entre o sistema e

reservatórios térmicos ocorrer

reversivelmente.

Page 53: A 2a Lei da Termodinâmica

Escala de Temperatura de Kelvin ► Considere sistemas sofrendo um ciclo de energia e um

ciclo de refrigeração ou aquecimento, enquanto trocam

energia por transferência de calor com as fontes quente e

fria:

Page 54: A 2a Lei da Termodinâmica

Escala de Temperatura Kelvin

(Eq. 5e)

H

C

H

C

T

T

Q

Q

cyclerev

► Na Escala Kelvin, a temperatura é definida como

► Escala de temperatura termodinâmica: uma

escala independente das propriedades de qualquer

substância.

Page 55: A 2a Lei da Termodinâmica

Escala de Temperatura Kelvin

►Em palavras, Eq. 5e estabelece: Quando ciclos são reversíveis, e apenas então, a razão das transferências de calor é igual à razão das temperaturas na escala Kelvin, onde TH é a temperatura da fonte quente e TC é a temperatura da fonte fria.

►As temperatures na escala Rankine diferem das T na

escala Kelvin apenas por um fator de 1.8:

T(oR)=1.8T(K), as T’s na Eq. 5e não podem estar em oC

ou oF.

T(oC) = T(K) – 273.15

T(oF) = T(R) – 459.67

►Eq. 5e: Para T=Ttp=273.16K (Qtp) se Q0 temos T0

Page 56: A 2a Lei da Termodinâmica

Medidas de Performance Máxima para Ciclos

Operando entre Dois Reservatórios Térmicos

1. A eficiência térmica de um ciclo de energia irreversível é

sempre menor que a eficiência térmica de um ciclo de

energia reversível quando cada um opera entre os mesmos

dois reservatórios térmicos.

Deduções prévias do enunciado de Kelvin-Planck da 2a lei

incluem:

2. O coeficiente de performance de um ciclo de refrigeração

irreversível é sempre menor que o coeficiente de

performance de um ciclo de refrigeração reversível quando

ambos operam entre os mesmos dois reservatórios térmicos.

3. O coeficiente de performance de um ciclo de aquecimento

irreversível é sempre menor que o coeficiente de

performance de um ciclo de aquecimento reversível quando

ambos operam entre os mesmos dois reservatórios térmicos.

Page 57: A 2a Lei da Termodinâmica

Peformance Máxima de Ciclos

Operando entre Dois Reservatórios Térmicos

Segue que a eficiência térmica teórica máxima e os

coeficientes de performance nesses casos são atingidos

apenas por ciclos reversíveis. Usando Eq. 5e nas Eqs. 5b,

5c, e 5d, obtém-se:

(Eq. 5f) H

Cmax 1

T

TCiclo de Energia:

(Eq. 5g) CH

Cmax

TT

T

Ciclo de Refrigeração:

(Eq. 5h) CH

Hmax

TT

T

Ciclo de Aquecimento:

onde TH e TC devem estar em Kelvin ou Rankine.

Page 58: A 2a Lei da Termodinâmica

Exemplo: Análise de Ciclo de Energia

Um sistema sofre um ciclo de energia

enquanto recebe 1000 kJ por

transferência de calor de um reservatório

térmico a 500 K e descarrega 600 kJ por

transf. de calor a um reservatório térmico

a (a) 200 K, (b) 300 K, (c) 400 K. Para

cada caso, determine se o ciclo opera

irreversivelmente, opera

reversivelmente, ou se é impossível.

SOLUÇÃO: Para determinar a natureza do ciclo, compare

performance do ciclo real () à performance teórica máxima

do ciclo (max) calculada da Eq. 5f

Power

Cycle

Wcycle

Hot Reservoir

TH = 500 K

Cold Reservoir

TC = (a) 200 K,

(b) 300 K,

(c) 400 K

QC = 600 kJ

QH = 1000 kJ

Power

Cycle

Wcycle

Hot Reservoir

TH = 500 K

Cold Reservoir

TC = (a) 200 K,

(b) 300 K,

(c) 400 K

QC = 600 kJ

QH = 1000 kJ

Page 59: A 2a Lei da Termodinâmica

Exemplo: Análise de Ciclo de Energia

4.0kJ 1000

kJ 60011

H

C Q

Q

Performance Real: Calcule usando as transferências

de calor:

Performance Teórica Máxima: Calcule max a

partir da Eq. 5f e compare ao valor real de :

(a) 6.0K 500

K 20011

H

Cmax

T

T

(b) 4.0K 500

K 30011

H

Cmax

T

T

(c) 2.0K 500

K 40011

H

Cmax

T

T

Reversivelmente 0.4 = 0.4

Impossível 0.4 > 0.2

Irreversivelmente 0.4 < 0.6

max

Page 60: A 2a Lei da Termodinâmica

Um inventor afirma ter inventado uma máquina

térmica que desenvolve uma eficiência térmica de

80% quando operando entre dois reservatórios

térmicos a 1000 K e 300 K. Avalie essa afirmação.

A afirmação é falsa desde que não existe máquina térmica

que opera baseada em um ciclo de energia irreversível

(motor real = sempre irreversível) pode ser mais eficiente

que um motor que funcione baseado em um ciclo reversível.

Problema resolvido

th revL

H

T

T

K

K

or

,

.

1

1300

1000

0 70 70%

Q

L

WOUT

QH

TH = 1000

K

TL = 300 K

HE

5-60

SOLUÇÃO:

Page 61: A 2a Lei da Termodinâmica

Um inventor afirma ter desenvolvido um refrigerador

que mantém o espaço refrigerado a 2oC enquanto

opera em uma sala onde a temperatura é de 25oC e

tem um COP de 13.5. Existe alguma verdade nessa

afirmação?

QL

Rev Win

QH

TH = 25oC

TL = 2oC

COPQ

Q Q

T

T T

K

K

RL

H L

L

H L

( )

( )

.

2 273

25 2

1196

A afirmação é falsa desde que nenhum refrigerador

(refrigerador real = ciclo irreversível) pode ter um

COP > COPmax para um ciclo reversível.

Problema resolvido

SOLUÇÃO:

Page 62: A 2a Lei da Termodinâmica

Uma bomba de calor é usada para aquecer um prédio

durante o inverno. O prédio deve ser mantido a 21oC

permanentemente. A taxa de perda de calor estimada

do prédio é de 135.000 kJ/h quando a temperatura

exterior é de -5oC. Determine a potência mínima

requerida para a operação da bomba de calor frente a

essa temperatura externa.

21 oC

HP

-5 oC

QLost

Win

QL

O calor perdido

pelo prédio deve

ser suprido pela

bomba de calor

(HP).

QH

Problema resolvido

Q QkJ

hH Lost 135000

SOLUÇÃO:

Page 63: A 2a Lei da Termodinâmica

COPQ

Q Q

T

T T

K

K

HPH

H L

H

H L

( )

( ( ))

.

21 273

21 5

1131

Usando a definição básica

do COP podemos escrever:

COPQ

W

WQ

COP

kJ h h

s

kW

kJ s

kW

HPH

net in

net inH

HP

, /

. /

.

,

,

135 000

1131

1

3600

1

3316

Problema resolvido

1º calcule a valor máximo

do COP (ciclo de aqueci-

mento reversível):

(Eq. 5d)

LH

H

cycle

H

QQ

Q

W

Q

Coefficient Of

Performance

Page 64: A 2a Lei da Termodinâmica

Ciclo de Carnot

►O Ciclo de Carnot fornece um exemplo de um ciclo reversível que opera entre dois reservatórios térmicos.

►Outros exemplos no Capítulo 9: ciclos de Ericsson e de Stirling.

►Em um ciclo de Carnot, o sistema executando o ciclo sofre uma série de 4 processos internamente reversíveis: 2 processos adiabáticos alternados com 2 processos isotérmicos.

Page 65: A 2a Lei da Termodinâmica

Expansão Isotérmica Reversível (processo 1-2, TH = constante)

Expansão Adiabática Reversível(processo 2-3, temperatura cai de TH a TL)

Compressão Isotérmica Reversível (processo 3-4, TL = constante)

Compressão Adiabática Reversível (processo 4-1, temperatura sobe de TL a TH)

Ciclos de Energia de Carnot

Execução do ciclo de Carnot em sistema fechado.

Page 66: A 2a Lei da Termodinâmica

Ciclos de Energia de Carnot

5-66

O diagrama p-v e o esquema de um gás em um

sistema pistão-cilindro executando um ciclo de

Carnot são mostrados abaixo:

H

Cmax 1

T

T

Page 67: A 2a Lei da Termodinâmica

Ciclos de Energia de Carnot O diagrama p-v e o esquema da água executando um

ciclo de Carnot através de 4 componentes

interconectados:

Em cada um desses casos a

eficiência térmica é dada por. H

Cmax 1

T

T

(Sistema em fluxo estacionário)

Change of phase in boiler

Page 68: A 2a Lei da Termodinâmica

Ciclo de Carnot Reverso

Diagrama p-V do ciclo de Carnot. Diagrama p-V do ciclo de

Carnot reverso.

O Ciclo de Carnot Reverso

O ciclo de máquina térmica de Carnot é totalmente reversível.

Entretanto, todos os processos que o compreendem podem ser

revertidos, em tal caso ele se torna o ciclo de refrigeração de

Carnot.

Page 69: A 2a Lei da Termodinâmica

Ciclos de Refrigeração e de

Aquecimento de Carnot

►Se um ciclo de energia de Carnot é

operado na direção oposta, as

magnitudes de todas as transferência de

energia permanecem iguais mas as

transferências de energia são

diretamente opostas.

Page 70: A 2a Lei da Termodinâmica

Ciclos de Refrigeração e de

Aquecimento de Carnot

►Tal ciclo pode ser tratado como um

ciclo de refrigeração ou de

aquecimento de Carnot para o qual o

coeficiente de performance é dado,

respectivamente por:

CH

Cmax

TT

T

Ciclo de Refrigeração de Carnot:

CH

Hmax

TT

T

Ciclo de Aquecimento de Carnot:

Page 71: A 2a Lei da Termodinâmica

Qualidade da Energia

A fração de calor que pode

ser convertida em trabalho

como uma função da fonte de

temperatura.

Quanto maior a temperatura

da energia térmica, maior

sua qualidade.

Q: Como melhorar a eficiência térmica de

uma máquina de Carnot? E para uma

máquina térmica real?

Q: Pode-se usar

C ou F para a

temperatura

aqui?

A: Forneça o máximo de calor a TH e remova

calor à mínima temperatura possível TC.

R: NÃO

Page 72: A 2a Lei da Termodinâmica

Desigualdade de Clausius ►A desigualdade de Clausius fornece a base para o conceito de entropia (capítulo 6).

►A desigualdade de Clausius é aplicável a qualquer ciclo independente do(s) corpo(s), do qual o sistema que está sofrendo um ciclo sofrendo um ciclo from recebe energia por transferência de calor ou para o qual o sistema rejeita energia por transferência de calor. Tais corpor não necessitam ser reservatórios térmicos.

►A desigualdade de Clausius é um corolário da segunda lei.

Page 73: A 2a Lei da Termodinâmica

Desigualdade de Clausius

►A Desigualdade de Clausius é desenvolvida a

partir do enunciado de Kelvin-Planck da 2a lei e pode

ser expresso por: cycle

b

T

Q(Eq. 5i)

Indica a integral a ser realizada sobre todas as partes da

fronteira e sobre todo o ciclo. onde

Indica que o integrando é avaliado sobre a fronteira do

sistema que executa o ciclo.

b

A natureza do ciclo executado é indicada pelo valor de ciclo:

ciclo = 0 irreversibilidades ausentes no sistema

ciclo > 0 irreversibilidades presentes no sistema

ciclo < 0 impossível

(Eq. 5j)

Page 74: A 2a Lei da Termodinâmica

Exemplo: Uso da Desigualdade de Clausius

Um sistema sofre um ciclo enquanto recebe

1000 kJ por transferência de calor a uma

temperatura de 500 K e descarrega 600 kJ por

transferência de calor a (a) 200 K, (b) 300 K, (c)

400 K.

Qual é a natureza do ciclo em cada um desses

casos?

Para determinar a natureza do ciclo, resolva a integral

cíclica da Eq. 5i para cada caso e aplique a Eq. 5j a fim

de tirar uma conclusão sobre a natureza de cada ciclo.

SOLUÇÃO:

Page 75: A 2a Lei da Termodinâmica

Exemplo: Uso da Desigualdade de Clausius

Aplicando a Eq. 5i a cada ciclo: cycleC

out

H

in T

Q

T

Q

b

T

Q

(b) kJ/K 0K 300

kJ 600

K 500

kJ 1000cycle cycle = 0 kJ/K = 0

(a) kJ/K 1K 200

kJ 600

K 500

kJ 1000cycle cycle = +1 kJ/K > 0

Irreversibilidades presentes no sistema

Irreversibilidades ausentes no sistema

(c) kJ/K 5.0K 400

kJ 600

K 500

kJ 1000cycle cycle = –0.5 kJ/K < 0

Impossível

5-75