Termodinâmica Aplicada 7p

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TERMODINÂMICA APLICADA
UNIP – UNIVERSIDADE PAULISTA
- 2 lei da termodinâmica
Nas aulas passadas aplicamos a Primeira Lei da Termodinâmica, ou o princípio de
conservação da energia, a processos envolvendo sistemas fechados e abertos.
Sabemos que a energia é uma propriedade conservada, não havendo
conhecimento de um único processo que tenha ocorrido em violação da Primeira
Lei da Termodinâmica.
Assim, é razoável concluir que, para que um processo ocorra, ele deve obedecer
à Primeira Lei da Termodinâmica. Entretanto, o cumprimento apenas desta lei
não garante que o processo realmente ocorrerá.
Uma xícara com café quente deixada em uma sala mais fria irá se esfriar. Este
processo obedece à Primeira Lei da Termodinâmica, uma vez que a quantidade
de energia perdida pelo café é igual à quantidade ganha pelo ar vizinho.
Consideremos agora o processo inverso - o café quente ficando mais quente
ainda em uma sala fria, como resultado da transferência de calor do ar da sala.
Todos sabemos que esse processo jamais ocorre. Mesmo assim, ele não violaria
a Primeira Lei, uma vez que a quantidade de energia perdida pelo ar seria igual à
quantidade ganha pelo café.
Os processos termodinâmicos ocorrem naturalmente em uma determinada
direção, e não na direção oposta. A Primeira Lei não faz restrições à direção de
um processo, mas o cumprimento da Primeira Lei não garante que o processo
possa realmente ocorrer.
Esta inadequação da Primeira Lei, que não identifica se um processo pode ou não
ocorrer, é remediada pela introdução de outro princípio geral, a Segunda Lei da
Termodinâmica.
A Segunda Lei também afirma que a energia tem qualidade, bem como
quantidade. A Primeira Lei diz respeito à quantidade de energia e às
transformações de energia de uma forma para outra, sem levar em conta sua
qualidade. A preservação da qualidade da energia é uma grande preocupação
dos engenheiros, e a Segunda Lei oferece os meios necessários para determinar
a qualidade, bem como o nível de degradação da energia durante um processo.
A Segunda Lei da Termodinâmica também é usada na determinação dos limites
teóricos para o desempenho dos sistemas de engenharia mais utilizados, como
máquinas térmicas e refrigeradores.
Ao desenvolver a Segunda Lei da Termodinâmica, é conveniente conceber um
corpo hipotético com uma capacidade de energia térmica (massa X calor
específico) relativamente grande, que possa fornecer ou remover quantidades
finitas de calor sem sofrer qualquer variação de temperatura. Tal corpo é
chamado de reservatório de energia térmica ou apenas de reservatório.
Na prática, grandes corpos de água como os oceanos, sol, vento, lagos e rios,
bem como o ar atmosférico, podem ser modelados como reservatórios de
energia térmica, por conta das grandes capacidades de armazenamento de
energia térmica ou massas térmicas.
RESERVATÓRIOS DE ENERGIA TÉRMICA
No inverno, por exemplo, a atmosfera não é aquecida em decorrência da perda
de calor das residências. Da mesma maneira, os megajoules de energia dissipada
em grandes rios pelas usinas de potência não provocam nenhuma variação
significativa na temperatura da água.
Um sistema bifásico também pode ser modelado como um reservatório, uma vez
que ele pode remover e liberar grandes quantidades de calor e, ao mesmo
tempo, permanecer à temperatura constante. Outro exemplo conhecido de
reservatório de energia térmica é o forno industrial.
As temperaturas da maioria dos fornos são controladas cuidadosamente, e eles
podem fornecer grandes quantidades de energia térmica na forma de calor de
um modo essencialmente isotérmico.
Na verdade, um corpo não precisa ser muito grande para ser considerado um
reservatório. Todo corpo cuja capacidade de energia térmica seja grande com
relação à quantidade de energia que ele fornece ou remove pode ser modelado
como um reservatório.
FONTE
Reservatório que fornece energia na forma de calor
SUMIDOURO
Reservatório que recebe energia na forma de calor
Os reservatórios de energia térmica são chamados de reservatórios térmicos,
uma vez que eles fornecem ou removem energia sob a forma de calor.
MÁQUINA TÉRMICA
Observe a figura
Trabalho pode ser facilmente convertido em outras formas de energia, mas a
conversão de outras formas de energia em trabalho não é tão fácil. O trabalho
mecânico realizado pelo eixo mostrado na Figura anterior, por exemplo, é
convertido primeiramente em energia interna da água. Essa energia pode então
ser retirada da água sob a forma de calor.
Sabemos por experiência que qualquer tentativa de realizar o processo inverso
falhará. Ou seja, transferir calor para a água não fará o eixo girar.
A partir dessa e de outras observações, concluímos que trabalho pode ser
convertido em calor de forma direta e completa, mas a conversão de calor em
trabalho exige a utilização de dispositivos especiais. Esses dispositivos são
chamados de máquinas térmicas.
1. Recebem calor de uma fonte à alta temperatura (energia solar, combustão de
um gás, reator nuclear etc.).
2. Convertem parte desse calor em trabalho (em geral, na forma de um eixo
rotativo).
3. Rejeitam o restante do calor para um sumidouro à baixa temperatura (a
atmosfera, os rios etc.).
4. Operam em um ciclo.
Características básica das Máquinas Térmicas
Normalmente, máquinas térmicas e outros dispositivos cíclicos utilizam um
fluido a partir de e para o qual calor é transferido enquanto realizam um ciclo.
Esse fluido é chamado de fluido de trabalho.
O termo máquina térmica é usado com frequência com um sentido mais amplo,
incluindo dispositivos que produzem trabalho e não operam em um ciclo
termodinâmico. Nessa categoria incluem-se máquinas que envolvem combustão
interna, como as turbinas a gás e os motores de automóveis.
Esses dispositivos operam em um ciclo mecânico, mas não em um ciclo
termodinâmico, uma vez que o fluido de trabalho (os gases de combustão) não
passam por um ciclo completo. Em vez de serem resfriados até a temperatura
inicial, os gases de exaustão são descarregados e substituídos pela mistura de ar
e combustível ao final do ciclo.
O dispositivo ou instalação que melhor se ajusta à definição de máquina térmica
é a usina a vapor, que é uma máquina de combustão externa. Ou seja, a
combustão ocorre fora da máquina e a energia térmica liberada durante esse
processo é transferida para o vapor sob a forma de calor.
Qe = quantidade de calor fornecida ao vapor na
caldeira a partir de uma fonte a alta temperatura.
Qs = quantidade de calor rejeitada pelo vapor no
condensador para um sumidouro a baixa
temperatura (a atmosfera, um rio etc.).
Ws = trabalho realizado pelo vapor à medida que se
expande na turbina.
We = trabalho necessário para comprimir a água
até a pressão da caldeira.
Ciclo térmico de uma caldeira