termodinâmica aplicada à agricultura - a6

Termodinâmica - Van Wylen, Borgnakke, Sonntag

Fundamentos da TermodinâmicaTradução da 7ª Edição Americana

Capítulo 7 Segunda Lei da Termodinâmica

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICASE UM CICLO TERMODINÂMICO não viola a PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA, isto não quer dizer que o ciclo POSSA OCORRER!!

Fonte: Escher (1929).

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICAUm ciclo termodinâmico SOMENTE ocorrerá se não violar tanto a PRIMEIRA LEI quanto a SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA!!

Filosoficamente a SEGUNDA LEI indica que TODOS os processos conhecidos ocorrem em um certo SENTIDO e NÃO no oposto.

Café quente perde calor para o ambiente mais frio; mas calor não é transferido do ambiente frio para o café quente!!

Consome-se gasolina quando um carro sobe uma colina; mas o nível de gasolina no tanque não aumenta quando desce!!!


Trabalho é realizado pelo peso e pás do agitador no gás;

Calor do gás é transferido para o ambiente;

Se aquecermos o gás (seta tracejada)

O gás não faz as pás girarem.

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA


O calor é transferido do reservatório de alta (temperatura) para o de baixa;

Calor NUNCA é transferido do reservatório de baixa para o de alta.


MOTOR TÉRMICO

MOTOR TÉRMICO: É um sistema que opera segundo um ciclo realizando TRABALHO LÍQUIDO positivo e trocando CALOR LÍQUIDO positivo.


Todo motor térmico é um dispositivo que produz trabalho através da transferência de calor ou

combustão. O motor de combustão e a turbina a gás são exemplos clássicos.

MOTOR TÉRMICO


A instalação motora a vapor é um motor térmico no sentido restrito, pois tem um fluído de trabalho (vapor), para, ou do qual, calor é transferido e

assim é realizada uma determinada quantidade de trabalho enquanto percorre um ciclo.

MOTOR TÉRMICO

EFICIÊNCIA TÉRMICA

Eficiência é a razão entre o que é PRODUZIDO (energia pretendida) e o que é USADO (energia gasta).

Em um motor térmico é a razão entre o TRABALHO e o CALOR transferido da fonte de alta.

H

L

H

LH

Htermico Q

QQQQ

QW

1


Motor térmico de grande porte: Turbina a Gás Siemens SGT5-8000H: 400 MW/536.000 CV.

A eficiência de motores térmicos de grande porte varia de 35 a 50%.

Motor térmico de médio porte: Motor Diesel John Deere PSX 13.5L : 560 CV.

A eficiência de motores térmicos de médio porte varia de 35 a 40%.


Motor térmico de pequeno porte: Motor ciclo Otto Toyama TD50: 5 CV.

A eficiência de motores térmicos de pequeno porte é menor do que 20%.



Q=233 kW; mponto=0,0095 kg/s

Exemplo 7.1

BOMBA DE CALOR/REFRIGERADOR

BOMBA DE CALOR/REFRIGERADOR: É um sistema que opera segundo um ciclo que recebe calor de um corpo a baixa temperatura e cede calor para um corpo de alta temperatura.

Bomba de CalorRefrigerador


BOMBA DE CALOR/REFRIGERADOR

Um refrigerador é uma bomba de calor no sentido restrito, pois tem um fluído de trabalho (R-134a), para o qual o calor é transferido para o fluído no evaporador,

então o fluído recebe trabalho do compressor e transfere calor no condensador. E a pressão é

abaixada por uma válvula de expansão.

O refrigerador ou bomba de calor é um dispositivo que opera segundo um ciclo e que necessita de trabalho para que se obtenha a transferência de calor de um corpo de baixa para um de alta temperatura.

COEFICIENTE DE DESEMPENHO

Coeficiente de desempenho é a razão entre o que a ENERGIA TRANSFERIDA (energia pretendida) e o TRABALHO para ocorrer tal transferência (energia gasta).

Em uma bomba de calor é a razão entre o CALOR TRANSFERIDO e o TRABALHO.

1

1

L

HLH

LL

QQQQ

QWQ


Q=250 W; beta=1,67.

Exemplo 7.2


RESERVATÓRIO TÉRMICO é um corpo que nunca apresenta variação de temperatura, mesmo sofrendo transferências de calor.

FONTE é o reservatório DO QUAL se transfere calor.

SORVEDOURO é o reservatório PARA O QUAL se transfere calor.

Enunciado de Kelvin-Planck: É impossível construir um dispositivo que opere em um ciclo termodinâmico e que não produza outros efeitos além do levantamento de um peso e

troca de calor com um único reservatório térmico.


Motor Térmico

É impossível construir um motor térmico que opere segundo um ciclo que receba uma determinada quantidade de calor de um corpo a alta temperatura e produza igual quantidade de trabalho.Um ciclo só pode produzir trabalho se estiverem envolvidos dois níveis de temperatura: corpo em altaMotor térmico; Motor térmicocorpo em baixa.É impossível construir um motor térmico com 100% de eficiência.

Enunciado de Clausius: É impossível construir um dispositivo que opere em um ciclo termodinâmico e que

não produza outros efeitos além da transferência de calor de um corpo firo para um corpo quente.


Bomba de calor

É impossível construir um refrigerador que opere sem receber trabalho.

O coeficiente de desempenho c sempre menor do que o infinito.


Os enunciados são negativos, ou seja, se baseiam em uma suposição de “não ocorrência” que em lógica matemática significa que são impossíveis serem demonstradosA

SEGUNDA LEI é eminentemente EXPERIMENTAL!! Todas as experiências já realizadas confirmam a segunda lei.

Os dois enunciados são equivalente, portanto a violação de um representa a violação do outro.


Bomba de calor que não requer trabalho para operar.

Motor Térmico que opera em um ciclo e que não tem outro efeito além do levantamento de um peso

Reservatório de baixa SEM TROCA LÍQUIDA de calor.


MOTO-CONTÍNUO ou MOTO-PERPÉTUO

“Pode ser um moto perpétuo, mas levará uma eternidade para testá-la .”


MOTO-PERPÉTUO DE PRIMEIRA ESPÉCIE

Energia, trabalho e calor são criados do NADA. VIOLAÇÃO DA

Primeira Lei da Termodinâmica.

Big Bang.


MOTO-PERPÉTUO DE SEGUNDA ESPÉCIE

Não há perda de Energia, trabalho e calor. VIOLAÇÃO DA

Segunda Lei da Termodinâmica.


MOTO-PERPÉTUO DE TERCEIRA ESPÉCIE

Não há atrito no sistema. Portanto NÃO HÁ trabalho(?!?!).

SuperCondutividade: quando colocados imersos em um campo magnético externo e resfriados abaixo da sua temperatura de transição, tendem a ejetar todo o campo magnético aplicado (Efeito Meissner ).

http://pt.wikipedia.org/wiki/Campo_magn%C3%A9tico

http://pt.wikipedia.org/wiki/Walther_Meissner

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICAMOTO-PERPÉTUO DE SEGUNDA ESPÉCIE: Exemplo Motor de Navio.

Knock Nevis, Maior Navio do Mundo: 458 m de comprimento; 30 m de calado Peso Carregado: 564.763 toneladas

Propulsão: Turbina a Vapor de 50.000 SHP

1-Calor QL é transferido do Oceano para um reservatório de alta através de uma bomba de calor;2-Para isto é necessário um trabalho W’ =QH-QL e um calor transferido para o corpo de alta QH;

3-Um motor térmico recebe um calor QH do reservatório de alta e SOMENTE gera trabalho (Violação da segunda Lei!!);

4-O trabalho líquido Wliq é a diferença entre o trabalho total gerado pelo motor térmico e o trabalho utilizado pela bomba de calor, Wliq=QL;

Este sistema é um moto-perpétuo, pois toda energia utilizada QL provém diretamente de uma fonte de energia livremente disponível e inesgotável, sem perdas.

PROCESSO REVERSÍVEL

Um PROCESSO REVERSÍVEL é definido como aquele em que tendo ocorrido, pode ser INVERTIDO e depois de realizada esta inversão, NÃO SE NOTARÁ vestígio no SISTEMA e nas VIZINHANÇAS.

PROCESSO IRREVERSÍVEL

Trabalho foi realizado, pois o pistão subiu e se prendeu no batente. A força para levantar o pistão é pequena, não resistiva, devido a pressão atmosférica.

Trabalho foi realizado, pois o pistão desceu, mas a força é grande, pois foi necessário vencer a pressão do gás que é maior do que a atmosférica.

Portanto o Trabalho realizado no Processo Inverso é maior do que o do Processo Inicial. Assim uma determinada quantidade de calor deve ser transferida pelo gás para que o sistema tenha a mesma energia interna do Estado Inicial.DESTA FORMA AS VIZINHANÇAS MUDARAM, portanto este processo é IRREVERSÍVEL.

Considerando os pesos, no limite0, o processo é

REVERSÍVEL.Assim tanto o sistema como as

vizinhanças retornam exatamente ao mesmo

estado inicial.

PROCESSO REVERSÍVEL


Em geral os fenômenos em que ocorre atrito tem trabalho em ação;Este trabalho é convertido em calor ou outra forma de energia que altera as vizinhanças;

Quando o processo é invertido, as vizinhanças e a energia interna do sistema não são as mesmas.

FATORES QUE TORNAM UM PROCESSO IRREVERSÍVEL

ATRITO:


O trabalho realizado para retornar o gás para a condição inicial é maior do que o trabalho realizado para expandir o

gás, além do calor transferido para se restabelecer a energia interna inicial modificar as vizinhanças.


EXPANSÃO NÃO RESISTIVA:

FATORES QUE TORNAM UM PROCESSO IRREVERSÍVELTRANSFERÊNCIA DE CALOR COM DIFERENÇA FINITA:

Considerando um sistema aonde ocorre a transferência de calor de um corpo em alta temperatura para outro em baixa temperatura.

A ÚNICA maneira do sistema retornar ao estado inicial é providenciando um refrigerador que utilizará trabalho das vizinhanças,

além da transferência de calor para as vizinhanças.

Como as vizinhanças não retornam ao estado inicial, o processo é IRREVERSÍVEL.

PROCESSO DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR REVERSÍVEL

Um PROCESSO REVERSÍVEL é definido como aquele em que tendo ocorrido, pode ser INVERTIDO e depois de realizada esta inversão, NÃO SE NOTARÁ vestígio no SISTEMA e nas VIZINHANÇAS.

Um processo de transferência de calor se aproxima de um processo reversível, quando a

diferença de temperatura tende a zero.

0lim

TdT

QUANTO MAIOR A DIFERENÇA DE TEMPERATURA, MAIOR A IRREVERSIBILIDADE.


Este processo pode ser considerado um tipo de expansão não resistiva;

É necessária uma determinada quantidade de trabalho para separar estes gases, portanto as

vizinhanças sofrem modificação.


MISTURA DE DUAS SUBSTÂNCIAS DIFERENTE:


No caso 1, como a diferença de temperatura é infinitesimal, é um processo reversível;

No caso 2, como a diferença de temperatura não é infinitesimal, é um processo irreversível;

Mas quando se considera somente o sistema, ele passa exatamente pelos mesmos estados nos dois processos.

Assim pode-se dizer que no caso 2, o processo é irreversível externamente e reversível internamente.

FATORES QUE TORNAM UM PROCESSO IRREVERSÍVEL1 2


Um motor térmico opera entre dois reservatórios térmicos e as Temperaturas dos reservatórios são constante e INDEPENDEM das

quantidades de calor transferidas;

O ciclo e todos os processos são REVERSÍVEIS;

Se os processos forem invertidos o motor se tornará um refrigerador;

CICLO DE CARNOT

CICLO DE CARNOT

1-Calor QH é transferido do reservatório de alta para o gerador de vapor;Obs.: Para ser reversível a temperatura da água deve ser infinitesimalmente menor do que a temperatura do reservatório;1-PROCESSO ISOTÉRMICO REVERSÍVEL.

2-Vapor superaquecido aciona a Turbina que gera trabalho;Obs.:Este processo ocorre sem transferência de calor, durante o qual a temperatura do fluído diminui até a temperatura do reservatório de baixa;2-PROCESSO ADIABÁTICO REVERSÍVEL.

3-Calor QL é rejeitado do fluido de trabalho para o reservatório de baixa pelo condensador;Obs.: A temperatura do fluído é infinitesimalmente maior do que o reservatório de baixa, o vapor é condensado em líquido;3-PROCESSO ISOTÉRMICO REVERSÍVEL.

4-A bomba comprime o fluído através do trabalho recebido da turbina e eleva a temperatura do mesmo até a temperatura do reservatório de alta e o lança no gerador de vapor.Obs.; Não há troca de calor, bombas somente operam com líquidos;4-PROCESSO ADIABÁTICO REVERSÍVEL.

CICLO DE CARNOT

TODO Ciclo de Carnot tem sempre os mesmo quatro processos básicos:

1-Um processo isotérmico reversível, no qual calor é transferido para ou do reservatório de alta;

2-Um processo adiabático reversível, no qual a temperatura do fluído de trabalho diminui desde a temperatura de alta para a de baixa;

3-Um processo isotérmico reversível, no qual calor é transferido para o reservatório de baixa;

4-Um processo adiabático reversível, no qual a temperatura do fluído aumenta desde o reservatório de baixa até o de alta.

CICLO DE CARNOT

PRIMEIRO TEOREMA: É impossível (?!?)construir um motor que opere entre dois reservatórios térmicos dados e que seja mais eficiente que um motor reversível operando entre os mesmos dois reservatórios. (Carnot,1802)

NASA, 2012

CICLO DE CARNOT

SEGUNDO TEOREMA: Todos os motores que operam segundo o ciclo de Carnot e entre dois reservatórios térmicos apresentam o mesmo rendimento.

X

Lamborghini 5000QV Bugatti EB-110SS

ESCALA TERMODINÂMICA DE TEMPERATURA

A eficiência do Ciclo de Carnot não depende da substância, mas apenas das temperaturas dos reservatórios térmicos.

Portanto a Escala Absoluta de Temperatura é função do Ciclo de Carnot.

),(11 THTLQQ

H

Ltermico

Onde ψ é uma relação funcional.

Kelvin definiu a seguinte relação funcional:

L

H

L

H

TT

QQ

H

L

H

Lcarnot T

TQQ

11

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