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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
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