Carnot conhecendo um pouco

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Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Norte – IFRN.
Campus Mossoró
Curso Técnico em Petróleo e Gás
Disciplina: Maquinas térmicas
Prof.: Diego Ângelo de Araújo Gomes
Maquina de Carnot e o processo de refrigeração elementar e as
aplicações na área do petróleo e gás Natural
Aluno:
Alison Bruno da Silva
Mossoró-RN 16/08/2017
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Norte- IFRN
Curso Técnico em Petróleo e gás
Disciplina: Análises laboratoriais
Prof. Diego Angelo
1. Historia da Máquina de Carnot.
Até meados do século XIX até o ano 1824, acreditava-se ser possível a construção de
uma máquina térmica ideal, que seria capaz de transformar toda a energia fornecida em trabalho,
obtendo um rendimento total (100%).Esse pensamento foi derrubado pelo engenheiro Sadi
Carnot, que, através de demonstrações, provou que era impossível conseguir um rendimento de
100% de uma máquina térmica. Sadi propôs que uma máquina térmica teórica, ideal, funcionaria
percorrendo um ciclo particular, hoje designado Ciclo de Carnot.
Em suas demonstrações experimentais, Sadi Carnot enunciou dois postulados, que hoje
conhecemos como Postulados de Carnot.
1.2 Postulados
O primeiro postulado diz que uma máquina térmica trabalhando entre duas temperaturas
estabelecidas tem a possibilidade de conseguir rendimento superior à máquina ideal de Carnot,
quando operada entre essas mesmas temperaturas.
O segundo postulado diz que, ao se trabalhar entre duas temperaturas, a máquina ideal de
Carnot possui o mesmo rendimento, seja qual for o fluido operante, e é completamente reversível
sem adição de energia.
Segundo os postulados propostos por Sadi Carnot, temos a possibilidade de verificar que o
rendimento de uma máquina térmica é função exclusiva das temperaturas tanto da fonte quente
quanto da fonte fria.
1.3 Composição da maquina
A máquina térmica de Carnot é composta de uma fonte de calor, mantida à temperatura
constante T1, destinada a fornecer as calorias de que o motor necessita para seu trabalho; de uma
fonte de frio, também à temperatura constante T2 (T2 < T1), cuja função é retirar da máquina as
calorias remanescentes de cada ciclo que não foram transformadas em trabalho; e do fluido,
colocado no interior de um cilindro, que se comprime e se distende, impulsionando um êmbolo.
O ciclo de Carnot, que é reversível, desenvolve-se em quatro fases, duas isotérmicas (primeira e
terceira), a temperatura constante, e duas adiabáticas (segunda e quarta), a pressão constante.
1.4 Ciclo de Carnot
O ciclo conhecido como Ciclo de Carnot é um ciclo idealizado e reversível, no qual o fluido
operante se trata de um gás, que corresponde a duas transformações térmicas: uma transformação
isotérmica (temperatura constante) e duas transformações adiabáticas (não há troca de calor com
o meio externo), intercaladas. Os processos sofridos pelo gás no ciclo de Carnot são:
- Expansão isotérmica (DA), durante a qual o gás está em contato com o sistema de temperatura
constante TA (fonte quente), recebendo dele uma quantidade de calor QA.
- Expansão adiabática (AB),durante a qual não ocorrem trocas de calor com o ambiente. O
sistema realiza trabalho com diminuição de energia interna e, portanto, de temperatura.
- Contração isotérmica (BC), durante a qual o gás está em contato com o sistema de temperatura
constante TB (fonte fria), cedendo a ele uma quantidade de calor QB.
- Contração adiabática CD, durante a qual o gás não troca calor com o ambiente. O sistema
recebe trabalho, que serve para aumentar sua energia interna e, portanto, sua temperatura.
No ciclo da figura acima, Ciclo de Carnot, os calores trocados (QA e QB) e as temperaturas
termodinâmicas (TA e TB) das fontes quente e fria são proporcionais, portanto a relação que os
descreve é a seguinte:
Substituindo na equação do rendimento de uma máquina térmica, obtemos, para a máquina de
Carnot:
1.5 Rendimento e objetivo
O rendimento desta máquina de Carnot é o máximo de uma máquina térmica que esteja
trabalhando entre determinadas temperaturas entre quente e fria. Esse rendimento, no entanto,
nunca chega aos 100%.
O rendimento de uma máquina de Carnot em porcentagem é igual à
Sendo que é a temperatura da fonte fria medida em Kelvin, e é a
temperatura da fonte quente também medida em Kelvin.
E nunca será possível ter Tq = 0 e |Tq| > |Tf|, portanto é possível determinar que uma máquina
térmica nunca poderá ter o rendimento de 1, ou seja, ela nunca será capaz de transformar todo o
calor que é fornecido em trabalho. A grande utilidade deste equipamento foi descobrir se uma
máquina térmica teria um bom rendimento, analisando desta forma se é viável para uma empresa.
1.6 Funcionamento
Confira abaixo uma imagem e a explicação do funcionamento desta máquina na prática.
Conforme demonstrado na imagem acima, o gás, partindo de A, realiza uma expansão isotérmica
AB, sendo que recebe o calor de Q1. Depois, acontece uma expansão adiabática BC sem ocorrer
troca de calor. Com temperatura T2 da fonte fria se verifica a compressão térmica CD. Nesta, há
a rejeição do gás da quantidade Q2 que não se transformou em trabalho. DA é a compressão
adiabática que se completa sem que haja troca de calor.
1.7 Maquinas frigoríficas (Setor petroquímico)
Uma máquina frigorífica é um tipo de máquina térmica geradora que transforma algum
tipo de energia, habitualmente mecânica, em energia térmica para obter e manter em um recinto
uma temperatura menor que a temperatura exterior. A energia mecânica necessária pode ser
obtida previamente a partir de outro tipo de energia, como a energia elétrica mediante um motor
elétrico.Esse tipo de maquina é usado em refinarias, indústrias do setor de gás, petróleo ou
engenharia química.
2. Ciclo elementar de refrigeração
A utilização apropriada de temperatura, pressão e calor latente de vaporização torna
possível a refrigeração mecânica. A maneira mais elementar do sistema de refrigeração vê-se
ilustrada na (fig. 3). O refrigerante é evaporado na câmara A, absorvendo suficiente calor do ar
circundante para prover o necessário calor latente de vaporização.
Figura 3: Ciclo elementar de refrigeração
O vapor criado pelo refrigerante em evaporação passa através do tubo B para a câmara C
onde uma corrente de água, passando sobre a parte exterior da câmara absorve o calor latente
fazendo com que o gás se condense num líquido. Este líquido corre através do tubo D retornando
a câmara de evaporação A.
Enquanto o esquema mostrado na (fig. 3) ilustra a utilização de calor latente para
absorção e rejeição de calor, um pouco mais de consideração revelará que o sistema acima
exposto é pouco prático. Calor tem sempre de fluir de um meio mais quente para um mais frio e,
portanto, a água de refrigeração que corre sobre a câmara C tem de ser mais fria do que o gás a
ser condensado porque, do contrário, não poderia passar qualquer calor do gás para a água. Se a
água estiver tão fria pode ser usada diretamente na câmara A e não é necessário refrigerante.
Infelizmente a temperatura da água ou ar disponível para fins de condensação é geralmente
tão alta, ou mais alta, do que a temperatura do ar que circunda o evaporador. Isto exige que seja
encontrada uma maneira de fazer com que o gás condense a uma temperatura muito mais alta do
que do líquido em evaporação. A solução reside em aumento da pressão na câmara C porque
aumento de pressão sobre um fluido eleva o ponto de ebulição ou temperatura de condensação.
Se um refrigerante volátil é disponível em forma líquida, ele absorverá calor ao evaporar
ou mudar para vapor. É esta mudança de estado que realiza o efeito de resfriamento em um ciclo
de refrigeração.
Se for permitido a um refrigeranteque expanda através de uma serpentina esfriadora que
está aberta para a atmosfera, o refrigerante absorve calor do ar circundante e evapora a uma
temperatura correspondente a pressão atmosférica (101,325 kPa). Com refrigerante R-22, esta
seria de –40,8°C (fig. 4).
Figura 4: Ciclo simples de resfriamento
Como a evaporação realiza o resfriamento, a parte do equipamento em que a evaporação
acontece, ou seja, onde é feito o frio, é conhecida como evaporador.
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