8. Energia, Calor e Trabalho IV

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Energia, Calor e Trabalho IV
MEC-1507 
Sistemas Térmicos I
Luiz Guilherme Vieira Meira de Souza
Eficiência
Eficiência é um dos termos mais utilizados na termodinâmica.
Indica o grau de sucesso em um processo de conversão de energia.
A eficiência pode ser expressa pela razão entre resultado desejado e fornecimento necessário.
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Eficiência
Como seria avaliada a eficiência de um aquecedor elétrico de água? 
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Eficiência
E se fosse avaliado um aquecedor a gás?
Tendo em vista que este é um equipamento que envolve combustão:
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Eficiência
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Eficiência
De quanto será a eficiência desses aquecedores de água?
O que caracterizaria os tipos de alta eficiência?
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Eficiência
A eficiência de um processo de combustão apenas é dada pela razão entre a quantidade de calor liberada na combustão e o poder calorífico do combustível oxidado.
O poder calorífico é a quantidade de energia por unidade de massa liberada durante a oxidação completa de um determinado combustível.
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Eficiência
A maioria dos combustíveis contém hidrogênio em sua composição.
Ele é o responsável pela formação de água durante o processo de combustão.
Dependendo de a água dos produtos da reação estar no estado líquido ou vapor, o poder calorífico do combustível será diferente.
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Eficiência
Denomina-se poder calorífico inferior (PCI) quando a água é liberada sob a forma de vapor.
Tem-se o poder calorífico superior (PCS) quando a água dos gases de combustão é completamente condensada, sendo o calor de vaporização recuperado.
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Eficiência
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Eficiência
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Eficiência
Quando se trata de motores de aviões e automóveis, por exemplo, se usa como base o poder calorífico inferior, já que a água sai em forma de vapor juntamente com os gases de exaustão.
Não é prático tentar recuperar o calor de vaporização.
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Eficiência
Quando se trata de fornos, por exemplo, se usa como base o poder calorífico superior, já que a água sai em forma líquida juntamente com os gases de exaustão.
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Eficiência
Para os motores térmicos, o resultado desejado é o trabalho.
Para motores de automóveis, o trabalho realizado é entendido como a potência fornecida pelo eixo.
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Eficiência
Para os motores térmicos, o resultado desejado é o trabalho.
Nas usinas de potência, o trabalho realizado pode ser a potência mecânica produzida pela turbina, ou a potência elétrica produzida pelo gerador.
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Eficiência
Um gerador é um dispositivo que converte energia mecânica em energia elétrica.
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Eficiência
Faz parte do dia a dia da sociedade atual a conversão de energia elétrica em luz por meio de lâmpadas incandescentes, tubos fluorescentes, etc.
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Eficiência
A eficiência dessa conversão pode ser definida como a razão entre a energia convertida em luz e a energia elétrica consumida.
A lâmpada incandescente tem eficiência de apenas 10%.
Aumenta a carga térmica para o sistema de condicionamento de ar.
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Eficiência
Entretanto é mais comum expressar a efetividade desse processo através da eficácia de iluminação.
Ela é definida como a quantidade de luz produzida em lumens por Watt de energia consumida.
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Eficiência
Uma lâmpada fluorescente compacta produz cerca de quatro vezes mais luz por W do que uma lâmpada incandescente.
Portanto, uma lâmpada fluorescente de 15 W pode substituir uma lâmpada incandescente de 60 W.
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Eficiência
Além disso, ela dura dez vezes mais que uma incandescente e pode ser conectada nem necessitar de adaptações.
Apesar de seu custo inicial mais alto, elas reduzem os custos a longo prazo.
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Eficiência
As lâmpadas de descarga de alta intensidade de sódio fornecem iluminação mais eficiente, mas seu uso se limita a ambientes externos por causa da sua luz amarelada.
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Eficiência
Pode-se também definir a eficiência de utensílios para cozinhar, uma vez que eles convertem energia elétrica ou química em calor.
Ela pode ser definida como a razão entre a energia útil transferida para a comida e a energia consumida pelo aparelho.
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Eficiência
A eficiência de cozimento pode ser aumentada de várias maneiras. 
Pode-se utilizar um forno menor para assar, usar panelas de pressão, usar panelas elétricas para banho-maria e sopas e usar panelas menores (quanto menor a panela, mais eficaz o cozimento). 
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Eficiência
A eficiência de cozimento pode ser aumentada de várias maneiras. 
Essa eficiência também aumenta quando se utilizam uma chapa de aquecimento menor para panelas pequenas e panelas de fundo chato em fogões elétricos, para garantir um bom contato. 
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Eficiência
A eficiência de cozimento pode ser aumentada de várias maneiras. 
Além disso recomenda-se: 
Manter os queimadores sempre limpos e desobstruídos;
Descongelar alimentos no refrigerador antes de cozinhar;
Evitar o preaquecimento a menos que seja necessário;
Manter as panelas tampadas durante o cozimento;
Usar cronômetros e termômetros para evitar o cozimento excessivo;
Manter as superfícies internas do micro-ondas sempre limpas.
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Eficiência
O uso de aparelhos com baixo consumo de energia e a prática de medidas que economizem energia ajudam nossos bolsos, reduzindo as contas cobradas pelas empresas de serviços públicos.
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Eficiência
Isso também ajuda o meio ambiente, reduzindo a quantidade de poluentes emitidos para a atmosfera durante a combustão em casa ou nas usinas nas quais a eletricidade é gerada.
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Eficiência
Cada kWh (3600 kJ) de eletricidade conservado economiza 0,4 kg de carvão, 1,0 kg de CO2 e 15 g de SO2 de uma usina geradora de energia elétrica a carvão.
Eficiências de Dispositivos Mecânicos e Elétricos
A transferência de energia mecânica é geralmente realizada por um eixo rotativo e, portanto, o trabalho mecânico é quase sempre chamado de trabalho de eixo.
Eficiências de Dispositivos Mecânicos e Elétricos
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Uma bomba ou ventilador recebem trabalho de eixo (normalmente de um motor elétrico) e o transferem para o fluido sob a forma de energia mecânica (desprezando-se as perdas por atrito).
Eficiências de Dispositivos Mecânicos e Elétricos
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Uma turbina, por outro lado, converte a energia mecânica de um fluido em trabalho de eixo.
Eficiências de Dispositivos Mecânicos e Elétricos
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Na ausência de perdas, a energia mecânica pode ser convertida totalmente de uma forma mecânica para outra, e a eficiência mecânica de um dispositivo ou processo pode ser definida como:
Eficiências de Dispositivos Mecânicos e Elétricos
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Eficiências de Dispositivos Mecânicos e Elétricos
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Em sistemas que envolvem escoamentos de fluidos, geralmente o interesse é aumentar a pressão, a velocidade e/ou a altura do fluido.
Isso é feito fornecendo energia mecânica ao fluido por meio de uma bomba, um ventilador ou um compressor.
Pode-se também ter interesse em extrair energia mecânica de um fluido e produzir potência mecânica.
Isso é feito através de uma turbina hidráulica acoplada a um gerador.
Eficiências de Dispositivos Mecânicos e Elétricos
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Para o caso de fornecimento de energia ao fluido, a eficiência desse tipo de processo é expressa por:
A taxa de aumento da energia mecânica do fluido é igual à taxa potência de bombeio útil fornecida ao fluido.
Eficiências de Dispositivos Mecânicos e Elétricos
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Para o caso de extração de energia mecânica do fluido, a eficiência desse tipo de processo é expressa por:
A taxa de diminuição de energia mecânica do fluido é equivalente à potência mecânica extraída do fluido pela turbina (útil).
Eficiências de Dispositivos Mecânicos e Elétricos
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A energia elétrica normalmente é convertida em energia mecânica de rotação pelos motores elétricos.
Esse efeito pode ser utilizado para mover motores de partida, guinchos, compressores, braços de robôs, etc.
https://www.youtube.com/watch?v=_f6kM1e1fBA
https://www.youtube.com/watch?v=O551GnupzyA
Eficiências de Dispositivos Mecânicos
e Elétricos
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A eficiência desses processos é calculada pela razão entre a potência mecânica produzida pelo motor e a potência elétrica consumida.
Motores em plena carga apresentam eficiências de 35% (motores pequenos) até 97% (motores de grande porte e de alta eficiência).
Eficiências de Dispositivos Mecânicos e Elétricos
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A parcela de energia que não é convertida é dissipada sob a forma de calor.
Eficiências de Dispositivos Mecânicos e Elétricos
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Eficiências de Dispositivos Mecânicos e Elétricos
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Geralmente, uma bomba vem acompanhada de seu motor, assim como uma turbina de seu gerador.
Assim, é natural o interesse na eficiência combinada ou global das combinações bomba-motor (motobomba) e gerador-turbina (turbo-gerador).
Eficiências de Dispositivos Mecânicos e Elétricos
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Eficiências de Dispositivos Mecânicos e Elétricos
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Todas as eficiências que foram definidas variam de 0 a 100%.
O valor de 0% indica que toda a energia mecânica ou elétrica foi convertida em energia térmica.
Neste caso o dispositivo funciona como um aquecedor à resistência.
O valor de 100% indica que ocorre conversão perfeita, sem haver geração de energia mecânica ou elétrica em energia térmica.
Eficiências de Dispositivos Mecânicos e Elétricos
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Exercícios
Energia elétrica é gerada pela instalação de um conjunto gerador-turbina hidráulica em um local 70 m abaixo de um grande reservatório de superfície livre, que pode fornecer água a uma taxa constante de 1.500 kg/s.
Exercício 1
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Se a potência mecânica de saída da turbina equivale a 800 kW e a geração de potência elétrica é 750 kW, determine as eficiências da turbina e do conjunto gerador-turbina desta usina. 
Despreze as perdas nas tubulações.
Exercício 1
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Um motor que fornece 60 hp de potência de eixo em plena carga e eficiência de 89% está desgastado e deve ser substituído por um motor altamente eficiente, cuja eficiência é de 93,2%.
Exercício 2
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O motor opera 3.500 horas por ano.
Sendo o custo da eletricidade R$ 0,40/kWh, determine a economia de energia e a economia de custos resultantes da instalação do motor de alta eficiência em vez de um motor padrão. 
Além disso, determine o período de recuperação do investimento se os preços dos motores padrão e de alta eficiência forem R$ 7.200 e R$ 8.260, respectivamente.
Exercício 2
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