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TERMODINÂMICA APLICADA UNIP – UNIVERSIDADE PAULISTA - Eficiência térmica - Refrigeradores - Bombas de calor Dispositivos cíclicos de interesse prático, como máquinas térmicas, refrigeradores e bombas de calor, operam entre um meio a alta temperatura (reservatório), na temperatura TQ e um meio a baixa temperatura (sumidouro), na temperatura TF. Para uniformizar o tratamento de máquinas térmicas, refrigeradores e bombas de calor, definimos duas grandezas: QQ = magnitude do calor transferido entre o dispositivo cíclico e o meio a alta temperatura, na temperatura TQ QF = magnitude do calor transferido entre o dispositivo cíclico e o meio a baixa temperatura, na temperatura TF Observe que QQ e QF são definidos como magnitudes e, portanto, são quantidades positivas. As direções de QQ e QF são facilmente determinadas. Assim, podemos escrever as expressões para o trabalho líquido e para a eficiência térmica de qualquer máquina térmica como segue abaixo. A eficiência térmica de uma máquina térmica é sempre menor que a unidade, pois QF e QQ são definidos como grandezas positivas. Eficiência térmica é uma medida da eficiência da conversão do calor recebido por uma máquina térmica em trabalho. Máquinas térmicas são projetadas para converter calor em trabalho e os engenheiros estão constantemente tentando melhorar a eficiência desses dispositivos, pois mais eficiência significa menos consumo de combustível e, consequentemente, menos despesas com combustível e menos poluição. As eficiências térmicas dos dispositivos produtores de trabalho são relativamente baixas. Motores de automóveis (ignição por centelha) comuns têm uma eficiência térmica de cerca de 25%. Ou seja, um motor de automóvel converte aproximadamente 25% da energia química da gasolina em trabalho mecânico. Esse número chega a 40% para os motores a diesel e grandes turbinas a gás e a 60% para grandes usinas de potência que combinam gás e vapor. Por isso, mesmo com as máquinas térmicas mais eficientes disponíveis atualmente, quase metade da energia fornecida termina em rios, lagos ou na atmosfera como energia não aproveitável. EXERCÍCIO A Segunda Lei da Termodinâmica: Enunciado de Kelvin-Planck Para completar um ciclo, mesmo sob condições ideais, uma máquina térmica deve rejeitar uma certa quantidade de calor para um reservatório a baixa temperatura. Isto é, nenhuma máquina térmica pode converter em trabalho útil todo o calor que recebe. Essa limitação com relação à eficiência térmica de máquinas térmicas forma a base do enunciado de Kelvin-Planck da Segunda Lei da Termodinâmica, que é expresso da seguinte maneira: É impossível para qualquer dispositivo que opera em um ciclo receber calor de um único reservatório e produzir uma quantidade líquida de trabalho. Máquina térmica que viola o enunciado de Kelvin-Planck Refrigeradores Todos sabemos por experiência própria que a transferência de calor ocorre no sentido em que a temperatura é decrescente, ou seja, dos meios a alta temperatura para aqueles a baixa temperatura. Esse processo de transferência de calor ocorre na natureza sem a ajuda de qualquer dispositivo. O processo inverso, contudo, não pode ocorrer espontaneamente. A transferência de calor de um meio a baixa temperatura para um meio a alta temperatura exige dispositivos especiais chamados de refrigeradores. Refrigeradores Os refrigeradores, como as máquinas térmicas, são dispositivos cíclicos. O fluido de trabalho usado no ciclo de refrigeração é chamado de refrigerante. O ciclo de refrigeração usado com mais frequência é o ciclo de refrigeração por compressão de vapor, que tem quatro componentes principais: • Compressor • Condensador • Válvula de expansão • Evaporador Ciclo de refrigeração • O refrigerante entra no compressor na forma de vapor e é comprimido à pressão do condensador. • O vapor deixa o compressor com uma temperatura relativamente alta e se resfria e condensa à medida que escoa pelo condensador, rejeitando calor para o meio circundante. • O refrigerante entra em um tubo capilar, onde sua pressão e temperatura caem drasticamente devido ao efeito de estrangulamento. • O refrigerante a baixa temperatura entra no evaporador, onde se evapora ao retirar calor do espaço refrigerado. • O ciclo é concluído quando o refrigerante deixa o evaporador e toma a entrar no compressor. Refrigeradores e bomba de calor Coeficiente de performance COP Máquina térmica que transfere calor de um meio com temperatura baixa para outro com temperatura alta. Refrigeradores e bombas de calor funcionam com um mesmo ciclo, porém, têm objetivos diferentes. O objetivo de um refrigerador é manter o espaço refrigerado a uma temperatura baixa, removendo o calor deste espaço, Descarregar calor em um meio à temperatura mais alta. O objetivo de uma bomba de calor, entretanto, é manter o espaço aquecido a uma temperatura alta. Para isso, a bomba de calor remove calor de uma fonte a baixa temperatura - como, por exemplo, águas subterrâneas ou o ar frio durante o inverno - e fornece calor a um meio a alta temperatura. Bomba de calor
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