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Termodinâmica Aplicada

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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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