RESUMO TERMODINÂMICA

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TERMODINÂMICA
Sistemas e Volumes de Controle
● Sistema fechado/massa de controle: massa não atravessa sua fronteira. Contudo,
energia em forma de calor e trabalho atravessa. Ex.: pistão-cilindro;
● Sistema aberto/volume de controle: permeável à energia e matéria. As suas
fronteiras são denominadas superfícies de controle. Ex.: turbina e bocais;
● Sistema isolado: massa e energia não atravessam a fronteira.
A Lei Zero da Termodinâmica afirma que, caso dois corpos estejam em equilíbrio com um
terceiro corpo, eles também estão em equilíbrio térmico (igualdade de temperatura) entre si.
Escalas de temperatura:
ENERGIA, TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA E ANÁLISE GERAL DA ENERGIA
Desconsiderando-se efeitos magnéticos, elétricos e de tensão superficial, a energia total de
um sistema pode ser expressa pelo somatório da energia interna, cinética e potencial:
● Energia pode cruzar a fronteira de um sistema fechado por 2 formas: calor e trabalho
○ O calor é uma energia em trânsito que ocorre exclusivamente devido à
diferença de temperatura entre dois sistemas ou sistema/vizinhança. Um
processo é definido como adiabático quando não existe transferência de
calor, .∆𝑄 = 0
■ Diferença entre um processo adiabático e um isotérmico é que no
primeiro pode haver diferença de temperatura devido ao trabalho.
○ O trabalho é consequência da interação do sistema com a sua vizinhança.
Ele é definido como uma transferência de energia causada por uma força
que atua ao longo de uma distância.
1ª Lei da Termodinâmica
Princípio de conservação de energia: A lei afirma que energia não pode ser criada nem
destruída ao longo de um processo, apenas muda de forma.
No caso de um sistema aberto, uma nova parcela no lado direito da equação deve ser
considerada ao se assumir que o fluxo de massa também injeta e retira energia do sistema.
A primeira lei da termodinâmica diz que a única maneira de variar a energia é por meio de
calor e trabalho. ∆𝐸 = 𝑄 − 𝑊
PROPRIEDADES DAS SUBSTÂNCIAS PURAS
● Líquido comprimido/sub-resfriado: não está pronto para se converter em vapor;
● Líquido saturado: está pronto para se vaporizar, basta um acréscimo de calor;
● Vapor saturado: está pronto para se condensar, basta uma mínima perda de calor;
● Vapor superaquecido: vapor que não está pronto para se condensar.
Mistura de Líquido e Vapor Saturados: Para realização de uma análise adequada, uma
nova propriedade denominada título (x) = m / m ;𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
Equação de Estado: qualquer equação que relaciona pressão, temperatura e volume
específico de uma substância. A equação do gás ideal, a mais conhecida equação de
estado, é dada por: PV=nRT
Para um gás ideal monoatômico, temos que a variação de energia interna é dada por:
ANÁLISE DA ENERGIA DOS SISTEMAS FECHADOS
Trabalho de Fronteira Móvel
Uma forma de trabalho mecânico frequentemente
encontrada em situações práticas está associada à
expansão ou compressão de um gás em um arranjo
pistão-cilindro. Nesse processo, parte da fronteira se move
para cima ou para baixo. Logo, o trabalho é denominado
trabalho de fronteira móvel.
A área sob a curva de processo em uma diagrama P-V é igual, em magnitude, ao trabalho
realizado durante o processo em quase-equilíbrio de um sistema fechado. O trabalho, como
foi dito anteriormente, é uma função de trajetória, ou seja, depende da trajetória seguida,
assim como dos estados inicial e final.
Processos Politrópicos
Durante processos reais de expansão e compressão de gases, a pressão e o volume são
frequentemente relacionados por PV^n constante.
p/ n=1:
O calor específico é definido como a energia necessária para elevar em um grau a
temperatura de uma unidade de massa de uma substância. Na termodinâmica, o interesse
está em dois tipos de calor específico:
● Calor específico a volume constante (cv): energia necessária para esse processo
sob volume constante;
● Calor específico a pressão constante (cp): energia necessária para esse
processo à pressão constante;
● R = cp - cv, R é a constante do gás em kJ/kg.K
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
● É impossível construir uma máquina que, operando em ciclos termodinâmicos, tenha
como único efeito converter integralmente em trabalho todo o calor recebido
● É impossível que uma máquina, sem a ajuda de um agente externo, consiga
conduzir calor de um sistema para outro que esteja a uma temperatura maior.
Um reservatório que fornece energia na forma de calor é denominado fonte, e um
reservatório que recebe energia na forma de calor é denominado de sumidouro.
Máquinas térmicas são dispositivos que realizam a conversão de calor em trabalho. Elas
diferem-se muito entre si, mas todas têm as seguintes características:
● Recebem calor de uma fonte à alta temperatura;
● Convertem parte desse calor em trabalho;
● Rejeitam o restante do calor para um sumidouro à baixa temperatura;
● Operam em ciclo;
● As máquinas térmicas e outros dispositivos cíclicos utilizam um fluido para o qual o
calor é transferido enquanto realizam um ciclo. Esse fluido é denominado fluido de
trabalho.
● A eficiência térmica é dada por:
Refrigeradores são utilizados quando se quer transferência de calor a partir de um meio de
baixa temperatura a uma alta temperatura.
● Dispositivos cíclicos que utilizam refrigerantes como fluido de trabalho.
● Objetivo é manter o ambiente refrigerado a uma temperatura baixa através da
remoção de calor a partir dele.
● O ciclo mais utilizado é o ciclo de refrigeração por compressão de vapor, que
envolve quatro componentes principais:
○ compressor, condensador, válvula de expansão e evaporador.
● A eficiência de um refrigerador é expressa através do coeficiente de performance
(COPr), representado por COPr = Efeito desejado / Entrada necessária.
●
● O valor do COPr pode ser maior que a unidade. Ou seja, a quantidade de calor
removida do espaço refrigerado pode ser maior que a entrada de trabalho.
Bombas de Calor
● Operam no mesmo ciclo que os refrigeradores, mas difere-se em relação ao seu
objetivo, que é de manter um espaço aquecido a uma temperatura alta.
● Para isso, remove calor de uma fonte a baixa temperatura, tal como água ou ar frio
do inverno, e fornece calor a um meio de alta temperatura, tal como uma casa. Ao
observar o ciclo do refrigerador, basta colocar o condensador para dentro do
ambiente interno que se tem um aquecedor.
● COPbc = COPr +1
● Eficiência:
Um processo reversível consiste em um processo que pode ser invertido sem deixar
nenhum vestígio no ambiente. Ou seja, tanto o sistema e o ambiente são devolvidos ao seu
estado inicial, no final do processo inverso. Tais processo não ocorrem na natureza, sendo
apenas idealizações de processos reais.
Ciclo de Carnot
Consiste nos seguintes processos:
● Expansão isotérmica reversível (1-2)
● Expansão adiabática reversível (2-3)
● Compressão isotérmica reversível (3-4)
● Compressão adiabática reversível (4-1)
● A eficiência de uma máquina irreversível
é sempre menor que a eficiência de uma
máquina reversível operando entre os mesmo
dois reservatórios.
●
● O processo isentrópico é um caso especial de um processo adiabático.
ENTROPIA
A entropia pode ser vista como uma medida da desordem molecular ou da aleatoriedade
molecular. Logo, a entropia pode ser dita menor para sólidos e maior para gases.
Desigualdade de Clausius:
Essa integral cíclica pode ser interpretada como a soma de todos os
valores diferenciais de transferência de calor, dividida pela temperatura
da fronteira. Caso não ocorram irreversibilidades no interior do sistema
(internamente reversível) e no dispositivo cíclico, o trabalho não pode
ser positivo nem negativo, uma vez que possui a mesma magnitude nos
sentidos opostos. Dessa forma, a integral vale zero.
● Variação de entropia:
● Um processo deve prosseguir na direção que está em conformidade com o aumento
da entropia;
● A entropia é uma propriedade que não se conserva em processos reais;
● A sua geração pode ser associada a uma medida quantitativa da irreversibilidade
associada a um processo, degradandoo desempenho de sistemas.
Terceira Lei da Termodinâmica: A entropia de uma substância cristalina pura à
temperatura zero absoluto é nula, uma vez que não há incertezas sobre o estado das
moléculas naquele instante.
CICLOS DE POTÊNCIA A GÁS
Os ciclos reais são muito complexos de se analisar devido a presença de irreversibilidades,
tal como o atrito, e falta de tempo suficiente para o estabelecimento de condições de
equilíbrio ao longo do ciclo. Dessa forma, algumas idealizações e simplificações são
realizadas com o intuito de facilitar a análise, são elas:
● O ciclo não envolve qualquer atrito;
● Todos os processos de compressão e expansão ocorrem de forma quase estática;
● Não há transferência de calor nos tubos que conectam os dispositivos.
Ciclo Otto: Ciclo Ideal dos Motores de Ignição por Centelha
Processo 1-2: compressão isentrópica;
Processo 2-3: fornecimento de calor a volume constante;
Processo 3-4: expansão isentrópica;
Processo 4-1: rejeição de calor a volume constante.
Ciclo Diesel: o Ciclo Ideal dos Motores de Ignição por Compressão
Processo 1-2: compressão isentrópica;
Processo 2-3: expansão isobárica, fornecimento
de calor à pressão constante;
Processo 3-4: expansão isentrópica;
Processo 4-1: descompressão isovolumétrica,
rejeição de calor a volume constante
Processos 1-2 e 3-4 iguais aos outros.
Rendimento menor que otto
Ciclo Brayton: o Ciclo Ideal das Turbinas a Gás
Processo 1-2: Compressão isentrópica;
Processo 2-3: fornecimento de calor a pressão constante;
Processo 3-4: expansão isentrópica;
Processo 4-1: rejeição de calor à pressão constante.
Processos similares ao ciclo Otto, muda o fato de ser
pressão constante (ao invés de volume constante).
Ciclos Stirling e Ericsson
Os ciclos analisados anteriormente envolvem transferência de calor com diferenças de
temperatura finita durante os processos não isotérmicos de fornecimento de calor e rejeição
de calor. Logo, eles são apenas internamente reversíveis.
Para ser totalmente reversível, a adição e rejeição de calor devem ocorrer de forma
isotérmica. Existem dois ciclos que operam dessa forma, além do ciclo de Carnot, são eles:
ciclo de Stirling e ciclo de Ericsson.
● dois processos de regeneração a volume constante no ciclo Stirling
● dois processos de regeneração a pressão constante no ciclo Ericsson.
● A regeneração é um processo durante o qual o calor é transferido para um
dispositivo que armazena energia térmica durante uma parte do ciclo, e é transferido
de volta para o fluido de trabalho durante a outra parte do ciclo
● As eficiências são iguais ao Ciclo de Carnot.
CICLO DE POTÊNCIA A VAPOR
Ciclo de Rankine: o Ciclo Ideal para os Ciclos de Potência a Vapor
● Compressão isentrópica em uma bomba: a água entra na bomba como líquido
saturado e é comprimida de maneira isentrópica até a pressão de operação da
caldeira. A temperatura aumenta um pouco devido a diminuição do volume
específico da água;
● Fornecimento de calor a pressão constante em uma caldeira: a água entra como
líquido comprimido e sai como vapor superaquecido;
● Expansão isentrópica em uma turbina: produz trabalho através da sua expansão.
A pressão e temperatura caem durante esse processo;
● Rejeição de calor a pressão constante em um condensador: entra uma mistura
líquido e vapor saturados com título elevado. O vapor é condensado a pressão
constante.
● Aumentam a eficiência do ciclo Rankine:
○ Reduzir a pressão no condensador: reduz a temperatura de vapor;
○ Superaquecimento do vapor a temperaturas mais altas;
○ Aumento da pressão da caldeira.
CICLOS DE REFRIGERAÇÃO
O refrigerador de Carnot e a bomba de calor de Carnot são os ciclos de refrigeração mais
eficientes quando se opera entre dois níveis bem especificados de temperatura. Para isso
ocorrer, basta inverter o sentido dos processos do ciclo de Carnot.
Ciclo Ideal de Refrigeração por Compressão de Vapor
Ao se adotar o ciclo de Carnot reverso, algumas dificuldades são encontradas, tal como a
compressão de uma mistura líquido e vapor saturado. Dessa forma, utiliza-se o seguinte
ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor:
● Processo 1-2: compressão isentrópica em um compressor. O refrigerante entra
como vapor saturado e é comprimido de forma isentrópica até a pressão do
condensador. Aumenta-se a temperatura bem acima da temperatura da vizinhança;
● Processo 2-3: rejeição de calor a pressão constante em um condensador. O vapor
entra superaquecido e sai como líquido saturado como resultado da rejeição de
calor;
● Processo 3-4: estrangulamento em um dispositivo de expansão. Reduz-se a
pressão do líquido saturado, assim como sua temperatura, até a pressão de
operação do evaporador. A temperatura fica inferior ao do espaço a ser refrigerado;
● Processo 4-1: absorção de calor a pressão constante em um evaporador. O fluido
entra como mistura saturada com baixo título de vapor e sai como vapor saturado.
Eficiência térmica máxima de um sistema
que percorre um ciclo de potência reversível
operando entre dois reservatórios: