Termodinâmica Aplicada

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TERMODINÂMICA APLICADA
UNIP – UNIVERSIDADE PAULISTA
- CICLO DE CARNOT
RESUMO DO CICLO DE CARNOT
O diagrama P- V (Pressão - Volume) do ciclo de Carnot
O diagrama do ciclo é mostrado na Figura abaixo. Ao lembrar que em um diagrama P-V a área sob a curva do
processo representa o trabalho de fronteira de processos de quase-equilíbrio (internamente reversíveis).
• A área sob a curva 1-2-3 é o trabalho realizado pelo gás durante a parte de expansão do ciclo.
• A área sob a curva 3-4-1 é o trabalho realizado sobre o gás durante a parte de compressão do ciclo.
• A área compreendida pelas curvas do ciclo (área 1-2-3-4-1) é a diferença entre as duas áreas e representa
o trabalho líquido realizado durante o ciclo.
1-2 Expansão isotérmica
- O gás ganha calor
2-3 Expansão adiabática
- A temperatura diminui
3-4 Compressão isotérmica
- O gás cede calor
4-1 Compressão adiabática
- A temperatura aumenta
OUTRAS CARACTERÍSTICAS DO CICLO DE CARNOT
CICLO DE CARNOT PARA REFRIGERAÇÃO
O ciclo da máquina térmica de Carnot descrito abaixo é um ciclo totalmente reversível.
Portanto, todos os processos que o formam podem ser invertidos, e neste caso ele se torna
o ciclo de Carnot de refrigeração. Desta vez, o ciclo permanece exatamente o mesmo,
exceto pelas direções das interações de calor e trabalho, que são invertidas: uma
quantidade de calor QF é removida do reservatório a baixa temperatura, uma quantidade
de calor QQ é rejeitada para um reservatório a alta temperatura e trabalho líquido Wlíq.e é
necessário para realizar o ciclo.
O diagrama P- V do ciclo de Carnot reverso é idêntico àquele para o ciclo de Carnot, exceto
pelas direções dos processos, que são invertidas.
CICLO DE CARNOT PARA REFRIGERAÇÃO
PRINCÍPIOS DE CARNOT
• A eficiência de uma máquina térmica irreversível é sempre menor que a eficiência
de uma máquina reversível operando entre os mesmos dois reservatórios.
• A eficiência de todas as máquinas térmicas reversíveis operando entre os mesmos
dois reservatórios é a mesma.
• O ciclo de Carnot opera com a eficiência máxima, ou seja, não existe outra
máquina térmica com a eficiência maior do que a M.T.C. (Máquina Térmica de
Carnot).
• A M.T.C. não viola a 2ª lei da termodinâmica
• A eficiência da M.T.C. não depende do fluido de trabalho (combustível)
• A eficiência da M.T.C. depende apenas das temperaturas das fontes quente e fria
ESCALA TERMODINÂMICA DE TEMPERATURA
Uma escala de temperatura, independentemente das propriedades das
substâncias usadas para medir a temperatura, é chamada de escala
termodinâmica de temperatura. Essa escala de temperatura oferece grande
conveniência em cálculos termodinâmicos. Como os reservatórios de energia
são caracterizados por suas temperaturas, a eficiência térmica de máquina
térmica reversível é uma função apenas das temperaturas dos reservatórios.
ESCALA TERMODINÂMICA DE TEMPERATURA
Essa escala de temperatura é chamada de escala Kelvin e as temperaturas nesta
escala são chamadas de temperaturas absolutas. Na escala Kelvin, as razões
entre temperaturas dependem das razões entre quantidades de calor trocadas
entre uma máquina térmica reversível e reservatórios térmicos e são
independentes das propriedades físicas de qualquer substância. Nessa escala, as
temperaturas variam de zero a infinito.
T(°C) = T(K) – 273
T(K) = (°C) + 273
EFICIÊNCIA DA MÁQUINA TÉRMICA DE CARNOT
A expressão abaixo define a eficiência de Carnot, pois a máquina térmica de
Carnot é a máquina reversível mais conhecida. Essa é a mais alta eficiência
que pode possuir uma máquina térmica operando entre dois reservatórios de
energia térmica a temperaturas TF e TQ. Todas as máquinas térmicas
irreversíveis (ou seja, reais) que operam entre estes limites de temperatura
(TF e TQ) têm eficiência menor.
Uma máquina térmica real não atinge esse valor máximo de eficiência teórica
porque é impossível eliminar completamente todas as irreversibilidades
relacionadas ao cicIo real.
EFICIÊNCIA DA MÁQUINA TÉRMICA DE CARNOT
Observe que TF e TQ devem estar nas
temperaturas absolutas. Ou seja, em
Kelvin (K)
Em ciclos reversíveis, a razão entre as
quantidades de calor QQ/QF pode ser
substituída pela razão entre as
temperaturas absolutas TQ/TF
A maioria das máquinas térmicas em operação hoje em dia tem eficiência
abaixo de 40%, o que parece pouco em relação a 100%. Entretanto, quando o
desempenho das máquinas térmicas reais é avaliado, a eficiência não deve ser
comparada a 100%; em vez disso, deve ser comparada à eficiência de uma
máquina térmica reversível que operaria entre os mesmos limites de
temperatura, porque este é o verdadeiro limite teórico superior da eficiência,
e não 100%.
EFICIÊNCIA DA MÁQUINA TÉRMICA DE CARNOT
A eficiência máxima de uma usina de potência a vapor operando entre TQ =
1000 K e TF = 300 K é de 70%, conforme determinado pela Equação.
Comparado a este valor, uma eficiência real de 40% não parece tão ruim,
mesmo que ainda haja muito espaço para melhorias.
EFICIÊNCIA DA MÁQUINA TÉRMICA DE CARNOT
EFICIÊNCIA DA MÁQUINA TÉRMICA DE CARNOT
COMPARAÇÃO DA EFICIÊNCIA DA MÁQUINA TÉRMICA DE CARNOT
Fica óbvio pela Equação que a eficiência de uma máquina térmica de Carnot
aumenta quando TQ é aumentada ou quando TF é reduzida. Este
comportamento era esperado, pois se TF diminui, diminui também a
quantidade de calor rejeitado, e se TF aproxima-se de zero, a eficiência de
Carnot aproxima-se da unidade (1). Isto também é verdadeiro para máquinas
térmicas reais.
EFICIÊNCIA DA MÁQUINA TÉRMICA DE CARNOT
A eficiência térmica de máquinas térmicas reais pode ser maximizada com o
fornecimento de calor à máquina à temperatura mais alta possível (limitada
pela resistência material) e com a rejeição de calor da máquina à temperatura
mais baixa possível (limitada pela temperatura do meio como rios, lagos ou a
atmosfera).
EFICIÊNCIA DA MÁQUINA TÉRMICA DE CARNOT
EXERCÍCIO
Uma máquina térmica de Carnot, mostrada na Figura, 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.
EXERCÍCIO