introdução termodinâmica - aulas e listas

Prévia do material em texto

Princípios e Fenômenos
Térmicos e Ondulatórios
 Introdução ao estudo da 
Termodinâmica
Dispositivos térmicos
Como calcular a eficiência de uma máquina térmica?
Como aumentar a eficiência de uma máquina térmica?
Existem limitações físicas ao desempenho de uma máquina térmica?
Veja aqui o funcionamento de um motor a gás.
fonte: wikipedia
Vamos começar na etapa de admissão da mistura de ar e combustível. Diferentemente do gás de 
uma geladeira, que fica confinado e passa por ciclos, num motor a explosão a substância de trabalho 
é renovada a cada ciclo. 
Etapas do ciclo de um motor a gás
fonte: wikipedia
O motor de arranque do carro dá um movimento inicial ao pistão. Por inércia, o eixo gira e a 
mecânica é tal que o pistão vai para trás: por sucção, o combustível entra.
Etapas do ciclo de um motor a gás
fonte: wikipedia
Estamos nos aproximando da situação de máximo volume.
Etapas do ciclo de um motor a gás
fonte: wikipedia
Neste momento, fecha-se a válvula de admissão: o cilindro não permite entrada ou saída da mistura. 
Etapas do ciclo de um motor a gás
fonte: wikipedia
Pela mecânica do pistão, a mistura passará a ser comprimida. Aqui, o pistão realiza trabalho sobre a 
mistura: o pistão perde, portanto, alguma energia.
Etapas do ciclo de um motor a gás
fonte: wikipedia
Por inércia ele mantém a compressão. 
Etapas do ciclo de um motor a gás
fonte: wikipedia
Tipicamente, o volume da mistura cai por um fator 9 com relação à posição de máxima expansão. 
Ou seja, a razão de compressão (r) é em torno de 9.
Etapas do ciclo de um motor a gás
fonte: wikipedia
Se a razão de compressão fosse maior, a mistura poderia sofrer auto-ignição. Isso seria ruim, na 
prática.
Etapas do ciclo de um motor a gás
fonte: wikipedia
No motor a gasolina, a ignição é iniciada por uma faísca produzida pela vela.
Etapas do ciclo de um motor a gás
fonte: wikipedia
Iniciada a ignição do combustível. O calor é liberado numa rápida explosão. Na realidade, a explosão 
e o consequente aquecimento do gás se iniciam um pouco antes da máxima compressão e não são 
instantâneos. 
Etapas do ciclo de um motor a gás
fonte: wikipedia
A mistura se encontra a alta pressão.
Etapas do ciclo de um motor a gás
fonte: wikipedia
A mistura aquecida realiza um trabalho de expansão no pistão. Este é o chamado tempo motor: o 
tempo no qual o pistão e o eixo são impulsionados fortemente. 
Etapas do ciclo de um motor a gás
fonte: wikipedia
As válvulas estão fechadas para que nenhum gás escape e a transferência de energia para o pistão 
seja máxima.
Etapas do ciclo de um motor a gás
fonte: wikipedia
Essa expansão aumenta a energia cinética do pistão e mais do que compensa a perda da energia na 
etapa de compressão da mistura. 
Etapas do ciclo de um motor a gás
fonte: wikipedia
Aqui estamos chegando ao máximo de expansão do pistão. 
Etapas do ciclo de um motor a gás
fonte: wikipedia
As válvulas agora serão abertas para que a mistura que já sofreu combustão saia pelo escapamento.
Etapas do ciclo de um motor a gás
fonte: wikipedia
Por inércia, o pistão segue num movimento de compressão.
Etapas do ciclo de um motor a gás
fonte: wikipedia
Essa compressão se dá aproximadamente a pressão atmosférica. O mesmo ocorre com a expansão 
inicial, durante a admissão.
Etapas do ciclo de um motor a gás
fonte: wikipedia
Válvulas de exaustão abertas: ciclo quase no fim. 
Etapas do ciclo de um motor a gás
fonte: wikipedia
Compressão máxima. Fim do ciclo. A válvula de admissão será aberta para iniciar um novo ciclo. 
Etapas do ciclo de um motor a gás
Máquinas térmicas e sua 
modelagem
modelagem 1
Máquinas térmicas e sua 
modelagem
modelagem 1
modelagem 2
Vizinhança
 trabalho 
mecânico
Substância 
de trabalho
Vizinhança
Qquente
Qfrio
Desempenho de um máquina térmica
modelagem
O desempenho de um motor pode ser 
medido pelo chamado rendimento:
✏ =
quantidade de trabalho produzida em um ciclo
quantidade de calor fornecida para o motor
Vizinhança
 trabalho 
mecânico
Substância 
de trabalho
Vizinhança
Qquente
Qfrio
Máquinas térmicas (conceito amplo)
Refrigeradores e sua
modelagem
modelagem 1
trabalho do
compressor
Substância 
de trabalho
Interior
Qquente
Qfrio
Ambiente
modelagem 2
ciclo
O desempenho de um refrigerador pode ser medido 
pelo chamado coeficiente de desempenho:
modelagem
trabalho do
compressor
Substância 
de trabalho
Interior
Qquente
Qfrio
Ambiente
Desempenho de 
um refrigerador
CD =
quantidade de calor retirada do interior em um ciclo
quantidade de energia que entra em um ciclo
Perguntas que gostaríamos de responder
É possível calcular o rendimento de um motor em termos das propriedades 
do combustível?
É possível se aprimorar cada vez mais um motor até que ele tenha um 
rendimento de 100%? E 90%?
Estratégia da termodinâmica: simplificar a realidade
Máquina real: ciclo rápido e 
substância complexa
Máquina de estudo: ciclo lento e 
substância simples
fonte: wikipedia
Ciclo real Substância de trabalho real
Ciclo ideal gás ideal
rápido turbulentoirreversível
análise impossíveldissipações
mistura complicada
análise impossível
fora do equlíbrio
não-homogênea
infinitamente lentoreversível
análise possívelsem dissipações
substância simples
análise possível
em equlíbrio
homogêneo
Simplificações usadas em nosso curso
Substância de trabalho real
Ciclo ideal gás ideal
mistura complicada
análise impossível
fora do equlíbrio
não-homogênea
infinitamente lentoreversível
análise possívelsem dissipações
substância simples
análise possível
em equlíbrio
homogêneo
Simplificações usadas em nosso curso
Substância de trabalho real
gás ideal
mistura complicada
análise impossível
fora do equlíbrio
não-homogênea
substância simples
análise possível
em equlíbrio
homogêneo
Simplificações usadas em nosso curso
gás ideal
substância simples
análise possível
em equlíbrio
homogêneo
Simplificações usadas em nosso curso
PV = nRT
E =
3
2
nRT
Simplificações usadas em nosso curso
PV = nRT
O que será nosso estudo de termodinâmica em PFTO?
1) Discussão introdutória das leis da termodinâmica
A 1a Lei: é possível controlar a energia de um sistema termodinâmico. O calor 
tem a mesma natureza da energia mecânica!
A 2a Lei: não é possível converter uma dada quantidade de calor integralmente 
em trabalho sem que haja modificações no sistema ou em sua vizinhança. Isso 
leverá à limitação do desempenhdo de dispositivos térmicos.
Calor não pode ser convertido totalmente em trabalho, mas o contrário pode! A 
2a Lei nos levará ao conceito de entropia: uma quantidade que indica o sentido 
em que as transformações térmicas ocorrem. 
O domínio dessas leis permitirá o entendimento de aplicações simples em C&T e 
será a base de cursos avançados da engenharia.
O que será nosso estudo de termodinâmica em PFTO?
2) O domínio de técnicas de cálculo de quantidades termodinâmicas
Calorimetria: processos envolvendo apenas trocas de calor. 
Cálculo do desempenho de refrigeradores e motores ideais.
Cálculos com a entropia: uma medida da irreversibilidade de um processo.
Cálculos de potência de máquinas térmicas reais
O que será nosso estudo de termodinâmica em PFTO?
3) Discussão de conceitos gerais da termodinâmica
Pressão, volume e temperatura
Potência
Equilíbrio termodinâmico
Processos termodinâmicos
Transição de fase
Substâncias termométricas
Escalas de temperatura
Mecanismos detransferência de calor
Sistemas abertos e fechados
Reversibilidade e irreversibilidade
Energia interna, trabalho e calor
Capacidades térmicas
Interpretação microscópica da termodinâmica
Universalidade da abordagem termodinâmica
Calores latentes
Exercícios que iremos encontrar