Leis da Termodinâmica

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Prof. Diego M. Yepes Maya
Instituo de Engenharia Mecânica
Programa de Mestrado em Engenharia da Energia
Universidade Federal de Itajubá
diegoyepes@unifei.edu.br
Bloco X-2 Sala 2-19
ENGENHARIA DA ENERGIA I RCM06
mailto:diegoyepes@unifei.edu.br
O enunciado de Clausius
Como qualquer outra lei da física, a segunda lei da
termodinâmica está baseada em observações
experimentais. Até hoje, nenhum experimento
realizado contrariou a segunda lei, e isso deve ser
considerado como prova suficiente de sua validade.
Cengel 7ed.
Equivalência dos dois enunciados
Desse modo, a combinação desses dois dispositivos pode ser vista como um refrigerador,
conforme mostrado na Fig. 6–27b, que transfere uma quantidade QL de calor de um corpo
mais frio para um corpo mais quente, sem qualquer interação com o meio externo. Essa é
claramente uma violação do enunciado de Clausius. Assim, a violação do enunciado de
Kelvin-Planck resulta na violação do enunciado de Clausius.
Motor Contínuo
O inventor afirma que, depois de iniciado o sistema, essa usina de energia produzirá
eletricidade indefinidamente, sem exigir nenhuma entrada de energia do meio externo.
Ciente de que mais da metade do calor transferido para o vapor na fornalha é descartado no 
condensador para o ambiente, o inventor sugere livrar-se desse componente supérfluo e enviar o 
vapor de água para a bomba assim que o mesmo deixar a turbina.
Ele trabalha em um ciclo e produz 
uma quantidade liquida de trabalho 
enquanto troca calor apenas com um 
único reservatório (a caldeira)
Motor Contínuo
Processos reversíveis e irreversíveis
qual é a maior eficiência que uma máquina térmica pode ter?
Um processo reversível é definido como um processo que pode ser revertido sem 
deixar qualquer vestígio no ambiente
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Processos reversíveis e irreversíveis
Os processos reversíveis podem ser vistos como limites
teóricos dos processos irreversíveis correspondentes. Alguns
processos são mais irreversíveis que outros. Podemos nunca
conseguir ter um processo reversível, mas certamente
podemos tentar. Quanto mais próximos estivermos de um
processo reversível, maior será́ o trabalho obtido por um
dispositivo produtor de trabalho ou menor será́ o trabalho
necessário a um dispositivo consumidor de trabalho.
Então:
O que é a eficiência de segunda lei da termodinâmica?
Irreversibilidades
Irreversibilidades
Irreversibilidades
Processos interna e externamente reversíveis
Processos interna e externamente reversíveis
O ciclo de Carnot
O ciclo de Carnot é composto por quatro processos reversíveis – dois
isotérmicos e dois adiabáticos – e pode ser executado por um sistema
fechado ou por um sistema com escoamento em regime permanente.
Expansão isotérmica reversível (processo 1-2, TH = constante)
Expansão adiabática reversível (processo 2 - 3, TH cai para TL)
Compressão isotérmica reversível (processo 3-4, TL = constante)
Compressão adiabática reversível (processo 4 -1, TL vai para TH)
O ciclo de Carnot
O ciclo de Carnot inverso
O ciclo de Carnot de
refrigeração. O ciclo permanece
exatamente o mesmo, exceto
pelas direções das interações de
calor e trabalho, que são
invertidas: uma quantidade de
calor QL é removida do
reservatório a baixa
temperatura, uma quantidade de
calor QH é rejeitada para um
reservatório a alta temperatura e
trabalho liquido Wliq,ent é
necessário para realizar o ciclo.
Os princípios de Carnot
1. A eficiência de uma maquina térmica
irreversível é sempre menor que a
eficiência de uma reversível operando
entre os mesmos dois reservatórios.
2. A eficiência de todas as máquinas
térmicas reversíveis operando entre os
mesmos dois reservatórios é a mesma.
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Os princípios de Carnot
A eficiência termina irreversível 
NUNCA é maior que eficiência 
térmica reversível
Sempre que operem entre 
os mesmos reservatórios
Escala termodinâmica de temperatura
Escala termodinâmica de temperatura
Escala termodinâmica de temperatura
O ponto triplo de água. O 
estado no qual todas as três 
da água existem em 
equilíbrio
A magnitude de um kelvin é definida 
como 1/273,16 do intervalo de 
temperatura entre zero absoluto e a 
temperatura do ponto triplo da água
A máquina térmica de Carnot
Eficiência de Carnot.
Em relação ao calor
Em relação as temperaturas
A máquina térmica de Carnot
Exemplo de uma máquina térmica de Carnot
Uma máquina térmica de Carnot, mostrada na Fig. 6–48, recebe 500 kJ de calor por ciclo 
de uma fonte à temperatura de 652 °C e rejeita calor para um sumidouro à temperatura de 
30 °C. Determine (a) a eficiência térmica dessa máquina de Carnot e (b) a quantidade de 
calor rejeitado para o sumidouro por ciclo.
A qualidade da energia
Analisemos agora como a eficiência térmica
varia com a temperatura da fonte quando a
temperatura do sumidouro é mantida constante
Mais da energia térmica de alta temperatura pode ser 
convertida em trabalho. Portanto, quanto mais alta a 
temperatura, maior a qualidade da energia.
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Refrigerador e bomba de calor de Carnot
Nenhum refrigerador pode ter um COP mais alto que um refrigerador 
reversível operando entre os mesmos limites de temperatura
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Esses são os mais altos coeficientes de
performance que pode ter um refrigerador ou
uma bomba de calor operando entre os limites
de temperatura TL e TH. Todos os refrigeradores
e bombas de calor reais operando entre esses
limites de temperatura (TL e TH) tem
coeficientes de performance mais.
Os coeficientes de performance de
refrigeradores reais e reversíveis operando entre
os mesmos limites de temperatura podem ser
comparados da seguinte forma:
Refrigerador e bomba de calor de Carnot
Exemplo de um ciclo de refrigeração de Carnot
Um ciclo de refrigeração de Carnot é executado em um sistema fechado na região de mistura líquido-
vapor saturados com 0,8 kg de refrigerante-134a como fluido de trabalho, como mostra a figura. As 
temperaturas máxima e mínima do ciclo são 20 e -8 °C, respectivamente. Sabe-se que o refrigerante é
liquido saturado ao final do processo de rejeição de calor, e a entrada de trabalho liquido no ciclo é de 
15 kJ. 
Determine a fração da massa do refrigerante que vaporiza durante o processo de adição de calor e a 
pressão no final do processo de rejeição de calor.
Exemplo de uma bomba de calor de Carnot
Uma bomba de calor deve ser usada para aquecer uma casa durante o inverno, conforme 
mostra a figura. A casa deve ser mantida a 21 °C o tempo todo. Supõe-se que a casa esteja 
perdendo calor a uma taxa de 135.000 kJ/h quando a temperatura externa cai para 5ئج° C. 
Determine a potência mínima necessária para operar essa bomba de calor.
Exercicios sugeridos
Livro:Termodinâmica
Yunus A. Çengel Michael A. Boles, 7a Edição
6.17 até 6.24
6.40 até 6.46
6.49 até 6.57
6-68 até 6-93
6.80 até 6.86
6.93 até 6.99
6.104 até6.110
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