[Apostila] - Termodinâmica Aplicada - Profa. Dra. Ana Maria Pereira Neto

Prévia do material em texto

17/10/2012
1
Universidade Federal do ABC
ProfaProfaProfaProfa. Dra. Ana . Dra. Ana . Dra. Ana . Dra. Ana Maria Pereira NetoMaria Pereira NetoMaria Pereira NetoMaria Pereira Neto
ana.neto@ufabc.edu.brana.neto@ufabc.edu.brana.neto@ufabc.edu.brana.neto@ufabc.edu.br
BC1309BC1309
Termodinâmica AplicadaTermodinâmica Aplicada
BC1309BC1309
Termodinâmica AplicadaTermodinâmica Aplicada
Segunda Lei da TermodinâmicaSegunda Lei da TermodinâmicaSegunda Lei da TermodinâmicaSegunda Lei da Termodinâmica
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
17/10/2012
2
Segunda Lei da TermodinâmicaSegunda Lei da TermodinâmicaSegunda Lei da TermodinâmicaSegunda Lei da Termodinâmica
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
� Comparação com a 1ª Lei da Termodinâmica;
� Análise de processos e ciclos termodinâmicos do ponto
de vista qualitativo;
� Máquinas térmicas e os enunciados de Kelvin-Planck e
Clausius;
� Processos reversíveis e irreversibilidades;
� Ciclo de Carnot;
� Máxima eficiência de um ciclo termodinâmico.
RevisãoRevisãoRevisãoRevisão
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
17/10/2012
3
Lei Zero da TermodinâmicaLei Zero da TermodinâmicaLei Zero da TermodinâmicaLei Zero da Termodinâmica
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
“Quando dois corpos têm igualdade de temperatura com um 
terceiro corpo, eles terão igualdade de temperatura entre si.”
Lei Zero da TermodinâmicaLei Zero da TermodinâmicaLei Zero da TermodinâmicaLei Zero da Termodinâmica
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
II
SS
OO
LL
AA
NN
TT
EECONDUTORCONDUTOR CONDUTORCONDUTOR
AA
CC
BB
17/10/2012
4
Primeira Lei da TermodinâmicaPrimeira Lei da TermodinâmicaPrimeira Lei da TermodinâmicaPrimeira Lei da Termodinâmica
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
1ª Lei da Termodinâmica1ª Lei da Termodinâmica1ª Lei da Termodinâmica1ª Lei da Termodinâmica
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
Princípio de conservação da energia:
a energia não pode ser criada e nem 
destruída durante um processo.
�� OO cumprimentocumprimento apenasapenas destadesta leilei nãonão garantegarante queque oo
processoprocesso realmenterealmente ocorrerá!ocorrerá!
17/10/2012
5
Comparação com a Comparação com a 
1ª Lei da Termodinâmica1ª Lei da Termodinâmica
Comparação com a Comparação com a 
1ª Lei da Termodinâmica1ª Lei da Termodinâmica
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
2ª Lei da Termodinâmica2ª Lei da Termodinâmica2ª Lei da Termodinâmica2ª Lei da Termodinâmica
� 11°° LeiLei dada TermodinâmicaTermodinâmica:: conservação da energia que impõe
restrições algébricas às interações de energia entre o sistema/volume
de controle e o meio;
� Tais restrições algébricas não fornecem informações sobre o
sentidosentido preferencialpreferencial em que os processos ocorrem;;
� Muitos processos só ocorrem “espontaneamente” em determinados
sentidos:
�� CalorCalor éé transferidotransferido sempresempre dede umum corpocorpo aa temperaturatemperatura maismais altaalta
parapara outrooutro aa temperaturatemperatura maismais baixabaixa;;
�� ArAr pressurizadopressurizado escapaescapa dede umum reservatórioreservatório;;
�� MisturaMistura dede duasduas substânciassubstâncias diferentesdiferentes..
17/10/2012
6
2ª Lei da Termodinâmica2ª Lei da Termodinâmica2ª Lei da Termodinâmica2ª Lei da Termodinâmica
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
� A 2ª Lei da Termodinâmica, diferentemente da 1º Lei, não é uma lei
de conservação;
� Os sistemas termodinâmicos tendem a atingir um ponto de
equilíbrio com o meio;
� A 2ª Lei permite determinar qual a máxima eficiência de um ciclo
termodinâmico;
� Em geral, pode-se aproveitar processos espontâneos e produzir
trabalho (calor fluindo de um corpo quente para um mais frio, gás se
expandindo de um pressão mais alta para uma mais baixa). Duas
questões se colocam:
1) Qual o máximo valor teórico do trabalho e como ele poderia ser
obtido?
2) Quais fatores poderiam impedir a obtenção do máximo trabalho?
Análise de Processos e CiclosAnálise de Processos e CiclosAnálise de Processos e CiclosAnálise de Processos e Ciclos
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
� Do ponto de vista qualitativo e quantitativo, com a 2° Lei da
Termodinâmica é possível:
� Prever o sentido em que ocorrem os processos termodinâmicos;
� Estabelecer condições de equilíbrio termodinâmico;
� Determinar a eficiência máxima de ciclos termodinâmicos de
potência e equipamentos;
� Avaliar quantitativamente os fatores que impedem a obtenção
desta máxima eficiência;
� Definir uma escala de temperatura absoluta independente de
substâncias termométricas;
� Desenvolver meios de cálculo de propriedades termodinâmicas
difíceis de serem medidas.
17/10/2012
7
Máquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de Potência
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
Máquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de Potência
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
�� DefiniçõesDefinições::
�� MáquinaMáquina TérmicaTérmica:: dispositivo que opera em ciclo
termodinâmico, que retira calor de sua vizinhança (meio) e
produz trabalho útil;
�� ReservatórioReservatório TérmicoTérmico:: tipo especial de sistema que
mantém sua temperatura constante mesmo que troque
calor com outro sistema.
17/10/2012
8
Rio
Lago
Atmosfera
Oceano
Reservatórios de Energia TérmicaReservatórios de Energia TérmicaReservatórios de Energia TérmicaReservatórios de Energia Térmica
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
� Corpos com massas térmicas relativamente grandes podem ser
modelados como reservatórios de energia térmica.
Reservatórios de Energia TérmicaReservatórios de Energia TérmicaReservatórios de Energia TérmicaReservatórios de Energia Térmica
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
Energia TérmicaEnergia Térmica
FonteFonte
Energia TérmicaEnergia Térmica
SumidouroSumidouro
CALORCALOR
CALORCALOR
� Uma fonte fornece energia
sob a forma de calor e um
sumidouro a remove.
17/10/2012
9
Máquina TérmicaMáquina TérmicaMáquina TérmicaMáquina Térmica
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
alta temperaturaalta temperatura
FonteFonte
baixa temperaturabaixa temperatura
SumidouroSumidouro
QQHH
QQLL
WWlíqlíq
� Parte do calor recebido por
uma máquina térmica é
convertida em trabalho,
enquanto o restante é
rejeitado para um sumidouro.Máquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de Potência
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
Gerador de Vapor
Turbina
Bomba
Condensador
Exemplo: Ciclo Termodinâmico de Rankine
3
1
2
4
WT
WB
(combustível)
QL
QH
17/10/2012
10
Usina a VaporUsina a VaporUsina a VaporUsina a Vapor
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
WWBB WWTT
CaldeiraCaldeira
CondensadorCondensador
BombaBomba TurbinaTurbina
Fronteira do SistemaFronteira do Sistema
Fonte de energiaFonte de energia
(fornalha)(fornalha)
Sumidouro de energiaSumidouro de energia
(atmosfera)(atmosfera)
QQHH
QQLL � QH: calor fornecido ao vapor na caldeira a partir
de uma fonte a alta temperatura.
� QL: calor rejeitado pelo vapor no condensador
para um sumidouro a baixa temperatura.
Máquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de Potência
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
Reservatório Térmico a Temperatura TH
Reservatório Térmico a Temperatura TL
QL
QH
W
17/10/2012
11
Máquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de PotênciaMáquinas Térmicas de Potência
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
HQ
W
insumo
produto
==η
� Eficiência de uma máquina térmica de potência:
� Pela 1°Lei da Termodinâmica (conservação de energia):
H
L
H
LH
Q
Q1Q
QQ
−=
−
=η
LH QWQ +=
� Assim:
Máquinas TérmicasMáquinas TérmicasMáquinas TérmicasMáquinas Térmicas
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
FonteFonte
SumidouroSumidouro
QQHH = 100 kJ= 100 kJ
WWlíqlíq = 30kJ= 30kJWWlíqlíq = 20kJ= 20kJ
QQHH = 100 kJ= 100 kJ
QQLL = 80 kJ= 80 kJ QQLL = 70 kJ= 70 kJ
ηηηηηηηη11 = 20%= 20% ηηηηηηηη22 = 30%= 30%
1 2
17/10/2012
12
Enunciado de Enunciado de KelvinKelvin--PlanckPlanckEnunciado de Enunciado de KelvinKelvin--PlanckPlanck
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
Enunciado de Enunciado de KelvinKelvin--PlanckPlanckEnunciado de Enunciado de KelvinKelvin--PlanckPlanck
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
Reservatório deReservatório de
Energia TérmicaEnergia Térmica
QQH H = 100 kW= 100 kW
WWlíqlíq = 100 kW= 100 kW
QQL L = 0= 0
MTMT
“É impossívelimpossível construir um 
dispositivo térmico que receba 
calor de uma fonte a alta 
temperatura e produza igual 
quantidade de trabalho.”
17/10/2012
13
Enunciado de ClausiusEnunciado de ClausiusEnunciado de ClausiusEnunciado de Clausius
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
Enunciado de ClausiusEnunciado de ClausiusEnunciado de ClausiusEnunciado de Clausius
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
alta temperaturaalta temperatura
FonteFonte
baixa temperaturabaixa temperatura
SumidouroSumidouro
QQHH
QQLL
“É impossívelimpossível construir um
dispositivo térmico cujo único
efeito seja a transferência de calor
de um corpo a baixa temperatura
para outro a temperatura mais
alta.”
17/10/2012
14
Refrigeradores e Bombas de CalorRefrigeradores e Bombas de CalorRefrigeradores e Bombas de CalorRefrigeradores e Bombas de Calor
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
alta temperaturaalta temperatura
FonteFonte
baixa temperaturabaixa temperatura
SumidouroSumidouro
QQHH
QQLL
Refrigerador e Bomba de CalorRefrigerador e Bomba de CalorRefrigerador e Bomba de CalorRefrigerador e Bomba de Calor
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
W
Transferência de calor de um Transferência de calor de um 
meio a baixa temperatura para um meio a baixa temperatura para um 
meio a alta temperatura.meio a alta temperatura.
17/10/2012
15
Ambiente quenteAmbiente quente
TTHH>T>TLL
Espaço refrigeradoEspaço refrigerado
TTLL
QQHH
QQLL
RefrigeradorRefrigeradorRefrigeradorRefrigerador
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
W
entrada entrada 
necessárianecessária
efeito efeito 
desejadodesejado
RefrigeradorRefrigeradorRefrigeradorRefrigerador
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
W
Q
insumo
produto L
==β
LH
L
QQ
Q
−
=β
� Eficiência de uma máquina térmica de refrigeração:
� Pela 1°Lei da Termodinâmica:
LH QWQ +=
� Assim:
17/10/2012
16
Bomba de CalorBomba de CalorBomba de CalorBomba de Calor
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
Espaço quente aquecidoEspaço quente aquecido
TTHH>T>TLL
Ambiente frioAmbiente frio
TTLL
QQHH
QQLL
W
entrada entrada 
necessárianecessária
Saída Saída 
desejadadesejada
Bomba de CalorBomba de CalorBomba de CalorBomba de Calor
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
W
Q
insumo
produto H
==β
LH
H
QQ
Q
−
=β
� Eficiência de uma bomba de calor:
� Pela 1°Lei da Termodinâmica:
LH QWQ +=
� Assim:
17/10/2012
17
Processos:Processos:
Reversíveis e IrreversíveisReversíveis e Irreversíveis
Processos:Processos:
Reversíveis e IrreversíveisReversíveis e Irreversíveis
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
Processo ReversívelProcesso ReversívelProcesso ReversívelProcesso Reversível
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
� O processo reversível para um sistema é definido como
aquele que tendo ocorrido pode ser invertido e, depois
desta inversão, não se notará nenhum vestígio no sistema
e no meio.
(1) (2) (1)
expansão compressão
17/10/2012
18
Processo IrreversívelProcesso IrreversívelProcesso IrreversívelProcesso Irreversível
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
� No processo irreversível, a reversão do processo
acarreta em mudanças no sistema ou no meio.
(1) (2) (1)
expansão compressão
W
Q
IrreversibilidadesIrreversibilidadesIrreversibilidadesIrreversibilidades
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
17/10/2012
19
IrreversibilidadesIrreversibilidadesIrreversibilidadesIrreversibilidades
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
� Os fatores que levam um processo a se tornar irreversível são
chamados de irreversibilidades:
�� TransferênciaTransferência dede calorcalor comcom diferençadiferença finitafinita dede temperaturatemperatura;;
�� ExpansãoExpansão nãonão resistidaresistida dede umum gásgás atéaté umauma pressãopressão maismais baixabaixa;;
�� ReaçãoReação químicaquímica espontâneaespontânea;;
�� AtritoAtrito(deslizamento(deslizamento e/oue/ou escorregamento)escorregamento);;
�� CorrenteCorrente elétricaelétrica atravésatravés dede umauma resistênciaresistência;;
�� DeformaçãoDeformação inelásticainelástica..
Identificando IrreversibilidadesIdentificando IrreversibilidadesIdentificando IrreversibilidadesIdentificando Irreversibilidades
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
� Irreversibilidades podem ocorrer no interior do sistema (internas)
ou fora do sistema (externas);
� A escolha da fronteira do sistema é muito importante na
determinação das irreversibilidades;
� Processos internamente reversíveis são aqueles em que as
irreversibilidades ocorrem externamente ao sistema;
� Para um sistema internamente reversível, os processos ocorrem
através de uma série de estados de equilíbrio (quase-estático);
� Em um reservatório térmico todos os processos são internamente
reversíveis.
17/10/2012
20
Ciclo Ciclo -- Máquina TérmicaMáquina TérmicaCiclo Ciclo -- Máquina TérmicaMáquina Térmica
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
O O ciclociclo de uma máquina térmica não pode ocorrer de uma máquina térmica não pode ocorrer 
sem a sem a rejeição de alguma quantidade de calor rejeição de alguma quantidade de calor para para 
um sumidouro a baixa temperatura.um sumidouro a baixa temperatura.
Ciclo Ciclo –– Máquinas TérmicasMáquinas TérmicasCiclo Ciclo –– Máquinas TérmicasMáquinas Térmicas
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
� O WWlíqlíq e a ηηηηηηηη dodo ciclociclo podem ser maximizados com o uso de
processos que exijam o mínimo de We e resultem no máximo de Ws,
ou seja, usando processosprocessos reversíveisreversíveis.
� Ciclos reversíveis nãonão podempodem serser realizadosrealizados nana práticaprática.
� As irreversibilidades nãonão podempodem serser eliminadaseliminadas.
� No entanto, os ciclos reversíveis representam os limiteslimites superioressuperiores
para o desempenho dos ciclos reais.
� Os ciclos reversíveis servem como modelomodelo parapara oo desenvolvimentodesenvolvimento
dede ciclosciclos reaisreais.
17/10/2012
21
Ciclo de CarnotCiclo de CarnotCiclo de CarnotCiclo de Carnot
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
Ciclo de CarnotCiclo de CarnotCiclo de CarnotCiclo de Carnot
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
� Exemplo: arranjo cilindro pistão (sem atrito e processo de quase-
equilíbrio).
is
o
la
m
en
to
Fonte
TH
1. Expansão isotérmica:
2. Expansão adiabática:
� Temperatura do gás é TH. Ocorre uma
expansão lenta do gás (↓↓↓↓T), mas Q é transferido
do reservatório (TH) para o gás. Portanto, a
temperatura é mantida constante.
� O reservatório é substituído por um
isolamento. Continua o processo de expansão,
até que sua temperatura caia de TH para TL.
17/10/2012
22
Ciclo de CarnotCiclo de CarnotCiclo de CarnotCiclo de Carnot
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
� Continuação:
� O isolamento é removido, o cilindro é
colocado em contato com um reservatório (TL) e
realiza-se uma compressão lenta do gás (↑↑↑↑T),
mas Q é transferido do gás para o reservatório.
Portanto, a temperatura é mantida constante.
� O reservatório é substituído por um
isolamento, o gás é comprimido de maneira
reversível, até que sua temperatura aumente de
TL para TH, voltando ao seu estado inicial.
is
o
la
m
en
to
Sumidouro
TL
3. Compressão isotérmica:
4. Compressão adiabática:
Diagrama PDiagrama P--V do Ciclo de CarnotV do Ciclo de CarnotDiagrama PDiagrama P--V do Ciclo de CarnotV do Ciclo de Carnot
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
� Processo 1-2: processo isotérmico
e reversível, no qual calor é transferido
de um reservatório a alta temperatura;
� Processo 2-3: processo adiabático
reversível, no qual a temperatura do
fluído de trabalho diminui desde a do
reservatório de alta até o de baixa
temperatura;
� Processo 3-4: processo isotérmico
reversível, no qual calor é transferido
para o reservatório de baixa
temperatura
� Processo 4-1: processo adiabático
reversível, no qual a temperatura do
fluido de trabalho aumenta desde a do
reservatório de baixa até o de alta
temperatura.
4
2
3
1
P
V
TH
TL
QH
QL
W
W
17/10/2012
23
Eficiência TérmicaEficiência TérmicaEficiência TérmicaEficiência Térmica
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
Ciclo de Carnot de PotênciaCiclo de Carnot de PotênciaCiclo de Carnot de PotênciaCiclo de Carnot de Potência
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
QL
QH
W
TH
TL
�� EficiênciaEficiência térmicatérmica dede CarnotCarnot::
H
L
H
LH
H
carnot Q
Q1Q
QQ
Q
W
−=
−
==η
17/10/2012
24
Ciclo de Carnot de RefrigeraçãoCiclo de Carnot de RefrigeraçãoCiclo de Carnot de RefrigeraçãoCiclo de Carnot de Refrigeração
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
LH
LL
carnot QQ
Q
W
Q
−
==β
QL
QH
W
TH
TL
�� EficiênciaEficiência dede desempenhodesempenho dede CarnotCarnot::
Ciclo de Carnot Ciclo de Carnot –– Bomba de CalorBomba de CalorCiclo de Carnot Ciclo de Carnot –– Bomba de CalorBomba de Calor
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
QL
QH
W
TH
TL
�� EficiênciaEficiência dede desempenhodesempenho dede CarnotCarnot::
LH
HH
carnot QQ
Q
W
Q
−
==β
17/10/2012
25
Princípios de CarnotPrincípios de CarnotPrincípios de CarnotPrincípios de Carnot
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
� A eficiência térmica de qualquer motor irreversível é
sempre menor que a de um motor totalmente reversível
operando entre os mesmos dois reservatórios de calor.
� As eficiências térmicas de dois motores totalmente
reversíveis operando entre os mesmos dois reservatórios
térmicos são iguais.
� Uma escala termodinâmica absoluta pode ser definida,
independente da natureza da substância medida.
Eficiência em função da TemperaturaEficiência em função da TemperaturaEficiência em função da TemperaturaEficiência em função da Temperatura
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
Partindo-se dos corolários de Carnot, pode-se concluir que todos os
ciclos de potência reversíveis operando entre dois reservatórios térmicos terão
a mesma eficiência, independente do fluído de trabalho utilizado na máquina
térmica. Assim, a eficiência está relacionada apenas com a natureza dos
reservatórios. Como é a diferença de temperatura entre os dois reservatórios
que fornece a força motriz para as transferências de calor e o trabalho
produzido, concluí-se que a eficiência de uma máquina térmica reversível
depende da temperatura dos reservatórios térmicos com os quais troca calor.
L
H
revL
H
T
T
Q
Q
≈





17/10/2012
26
Eficiência em função da TemperaturaEficiência em função da TemperaturaEficiência em função da TemperaturaEficiência em função da Temperatura
BC1309_Ana Maria PereiraNetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
LH
L
TT
T
−
=β
LH
H
TT
T
−
=β
H
L
T
T1−=η
� Coeficientes de desempenho (Refrigeração e Bomba de Calor):
� Eficiência de Carnot:
Eficiência de CarnotEficiência de CarnotEficiência de CarnotEficiência de Carnot
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
� É a mais alta eficiência que pode possuir uma máquina térmica
operando entre dois reservatórios de energia térmica (TL e TH).
� Todas as máquinas térmicas irreversíveis que
operam entre esses limites de temperatura
apresentam eficiência menor.
� A maioria das máquinas térmicas em operação tem eficiência
abaixo de 40%.
� Usina de potência a vapor: TH = 1000 K (limite: resistência do
material) e TL = 300 K (limite: temperatura do meio como rios, lagos,
atmosfera) ���� eficiência 70%.
H
L
T
T1−=η
17/10/2012
27
Máquinas Térmicas Reais e IdeaisMáquinas Térmicas Reais e IdeaisMáquinas Térmicas Reais e IdeaisMáquinas Térmicas Reais e Ideais
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
� Segundo os princípios de Carnot, considerando
ηηηη (eficiência de um ciclo motor real) e ηηηηCarnot (eficiência de
um ciclo de Carnot), pode-se escrever:





⇒>
⇒<
⇒=
impossívelciclo
elirreversívciclo
reversívelciclo
se
carnot
carnot
carnot
ηη
ηη
ηη
ExercíciosExercíciosExercíciosExercícios
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
17/10/2012
28
ExercíciosExercíciosExercíciosExercícios
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
1) Calor é transferido de uma fornalha pra uma máquina térmica a uma
taxa de 80 MW. Se a taxa com qual calor é rejeitado para um rio próximo
for de 50 MW, determine a potência líquida produzida e a eficiência
térmica da máquina térmica. R. (30 MW; 0,375)
2) O compartimento de alimentos de um refrigerador é mantido a 4ºC por
meio da remoção de calor a uma taxa de 360 kJ/min. Se a energia
necessária for fornecida ao refrigerador a uma taxa de 2 kW, determine:
a) o coeficiente de performance do refrigerador; b) a taxa com a qual o
calor é rejeitado na sala em que está instalado o refrigerador. (R. a) 3; b)
8 kW)
ExercíciosExercíciosExercíciosExercícios
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
3) Uma bomba de calor é utilizada para atender as necessidades de
aquecimento de uma casa, mantendo-se a 20ºC. Nos dias em que a
temperatura externa cai para -2ºC estima-se que a perda de calor da
casa a uma taxa de 80.000 kJ/h. Se a bomba de calor nessas condições
possuir um coeficiente de desempenho de 2,5, determine: a) a potência
consumida pela bomba de calor e b) a taxa com que o calor é removido
do ar frio externo. (R. a) 8,88 kW; b) 13,33 kW)
4) Uma máquina térmica de Carnot recebe 500 kJ de calor por ciclo de
uma fonte a temperatura de 652 ºC e rejeita calor para um sumidouro a
temperatura de 30ºC. Determine: a) eficiência térmica dessa máquina de
Carnot e b) a quantidade de calor rejeitado para o sumidouro por ciclo.
(R: a) 0,672; b) 163,8 kW)
17/10/2012
29
ExercíciosExercíciosExercíciosExercícios
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
5) Uma bomba de calor deve ser usada para aquecer uma casa durante o
inverno. A casa deve ser mantida a 21ºC o tempo todo. Supõe-se que a
casa esteja perdendo calor a uma taxa de 135000 kJ/h quando a
temperatura externa caia a -5ºC. Determine a potência mínima
necessária para operar essa bomba de calor. (R. 3,32 kW)
6) Uma máquina térmica opera entre um reservatório térmico a 550ºC e o
ambiente (300 K). A taxa de transferência de calor do reservatório de
alta temperatura para a máquina é de 1 MW e a potência de
acionamento da máquina, ou seja, a taxa de realização de trabalho é de
450 kW. Calcule o valor da taxa de transferência de calor para o
ambiente e determine a eficiência desta máquina. Compare estes
valores com os relativos a uma máquina térmica de Carnot que opera
entre os mesmos reservatórios.(R. 550 kW; eficiência de Carnot: 0,6355;
eficiência da máquina térmica: 0,45)