Termodinamica 2

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UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ 
TERMODINÂMICA 
PROFESSORA CAMILA PEREIRA 
 
 
 SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA 
 
 
A segunda lei e as deduções a partir dela são úteis porque fornecem meios para: 
 
 Prever a direção dos processos; 
 Estabelecer as condições de equilíbrio; 
 Determinar o melhor desempenho teórico dos ciclos, motores e outros equipamentos; 
 Avaliar quantitativamente os fatores que impedem a obtenção do melhor nível de desempenho 
teórico. 
 
Enunciado de Clausius: É impossível para qualquer sistema operar de tal forma que o único resultado seja 
a transferência de energia sob a forma de calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente. 
 
Enunciado de Kelvin-Planck: Uma máquina térmica não transforma integralmente calor em trabalho, 
podendo-se, portanto, concluir também que é impossível construir uma máquina com rendimento 100%. 
 
Processos reversíveis e irreversíveis 
 
Um processo é dito irreversível se o sistema e todas as partes de sua vizinhança não puderem retornar 
exatamente para seus estados iniciais respectivos após o processo ter ocorrido. 
Já um processo é dito reversível se o sistema e a sua vizinhança puderem retornar para seus estados 
iniciais após o processo ter ocorrido. 
Os processos normalmente irreversíveis incluem um ou mais das seguintes irreversibilidades: 
transferência de calor através de uma diferença finita de temperatura; reação química espontânea; 
deformação inelástica; atrito; corrente elétrica através de uma resistência etc. 
Na verdade todos os processos são irreversíveis. À medida que um sistema é submetido a um processo, as 
irreversibilidades podem ser encontradas dentro de um sistema, bem como na sua vizinhança. O processo 
reversível ideal não pode ser realizado na prática, mas pode ser descrito matematicamente de uma forma 
mais fácil e serve como padrão de comparação para os processos reais. 
 
Análise de Energia dos Ciclos 
 
Os conceitos de energia estudados até aqui serão aplicados a sistemas que percorrem ciclos 
termodinâmicos. Lembre-se, quando um sistema em um dado estado inicial passa por uma sequência de 
processos e finalmente retorna a esse estado, o sistema executou um ciclo termodinâmico. O balanço de 
energia para um sistema qualquer submetido a um ciclo termodinâmico assume a forma: 
 
Qciclo = Wciclo 
 
A figura abaixo mostra esquemas simplificados de duas classes gerais de ciclos: os ciclos motores (ou 
ciclos de potência) e os ciclos de refrigeração e bombas de calor. 
 
 
 
 
 
 
 
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Ciclo motor ou ciclo potência Ciclo de refrigeração ou bomba de calor 
 
Obs: 
 A eficiência de um ciclo de potência irreversível é sempre menor do que a eficiência térmica de 
um ciclo de potência reversível, quando operando entre os mesmos reservatórios térmicos; 
 Todos os ciclos de potência reversíveis operando entre os mesmos reservatórios térmicos 
possuem a mesma eficiência térmica. 
 
 
Sendo Wciclo = Qciclo 
 
Tem-se que – (potência líquida) 
 
A eficiência térmica do ciclo motor ou de potência é: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Para ciclo de refrigeração, o objetivo é retirar Qc do reservatório frio e para ciclo de bomba de calor 
é fornecer QQ para o reservatório quente. Dessa forma, para o ciclo de refrigeração, o coeficiente de 
desempenho, chamado de coeficiente de eficácia é: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Para a bomba de calor, o coeficiente de eficácia é: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Obs: 
 Para os ciclos de refrigeração Wciclo ≠ 0. 
 O coeficiente de eficácia de um ciclo de refrigeração irreversível é sempre menor do que o 
coeficiente de desempenho de um ciclo de refrigeração reversível, quando operando entre os 
mesmos reservatórios térmicos. 
 Todos os ciclos de refrigeração reversíveis operando entre os mesmos reservatórios possuem o 
mesmo coeficiente de desempenho. 
Substituindo-se o termo ciclo de refrigeração por bomba de calor, as afirmações acima 
permanecem válidas. 
 
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Medidas de Eficácia Máxima para Ciclos operando entre dois Reservatórios 
 
Para ciclos REVERSÍVEIS de potência aplicando a escala Kelvin ou Rankine (escalas absolutas), 
tem-se que: 
 
 
 
 
 
 
 
Logo, 
 
Ciclo de potência: 
 
 
 
 
Esta é a eficiência térmica de um sistema que percorre um ciclo de potência reversível, operando 
entre dois reservatórios a temperaturas TQ e TF, que é conhecida como EFICIÊNCIA DE CARNOT. Para 
ciclos de refrigeração e bomba de calor, essas observações levam à: 
 
Ciclo de refrigeração: 
 
 
 
 
Bomba de calor: 
 
 
 
 
 
Ciclo de Carnot 
 
O ciclo de Carnot fornece um exemplo específico de ciclo de potência reversível operando entre 
dois reservatórios térmicos. São quatro processos internamente reversíveis, sendo dois adiabáticos e dois 
processos isotérmicos. 
 
 
 
Etapas: 
a-b: expansão isotérmica até um ponto arbitrário c, com absorção de calor. 
b-c: expansão adiabática até que a temperatura dimia para TF. 
c-d: compressão isotérmica até o estado inicial, com descarte de calor QF. 
d-a: compressão adiabática até que a temperatura suba de TF para TQ. 
 
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Exercícios 
 
1) Em entrevista recente a um jornal de circulação nacional, o cientista-chefe de uma empresa de 
alta tecnologia afirmou que parte de uma demanda mundial de energia pode ser suprida pelo 
aproveitamento da diferença de temperatura que existe entre a superfície e os extratos mais 
inferiores dos oceanos. Supondo que a temperatura superficial dos mares da costa brasileira é de 
27 °C e que a temperatura inferior é aproximadamente igual a 3 °C, qual o maior rendimento (%) 
possível de uma máquina térmica, operando em um ciclo termodinâmico ? 
 (Resposta: 8 %) 
 
2) O rendimento de uma máquina térmica é a razão entre o trabalho total realizado pela máquina 
em um ciclo e o calor recebido da fonte de alta temperatura, no mesmo ciclo. Para uma máquina 
que trabalha com dois reservatórios de calor, um a 527 °C e outro a 127 °C, qual o rendimento 
máximo possível? 
 (Resposta: 50 %) 
 
3) Uma máquina de condicionamento de ar mantém um ambiente a 24 °C. A carga térmica a ser 
removida desse ambiente é igual a 5 kW. Admita que o equipamento é um refrigerador que opera 
segundo um Ciclo de Carnot e que o ambiente externo está a 35 °C. Considerando todos esses 
dados, qual a potência necessária estimada para acionar o equipamento, em kW? 
 (Resposta: 0,18 kW) 
 
4) Calor é transferido de uma fornalha para uma máquina térmica a uma taxa de 80 MW. Se a taxa 
com a qual calor é rejeitado para um rio próximo for de 50 MW, determine a potência líquida 
produzida e a eficiência térmica da máquina térmica. 
(Resposta: 30 MW e 37,5 %) 
 
5) Um laboratório de uma universidade situada em um país frio deve ser mantido a 37 °C, com 
auxílio de uma bomba de calor. Quando a temperatura do exterior cai para 6 °C, a taxa de 
energia perdida do laboratório para o exterior corresponde a 30 kW. Qual a potência elétrica 
mínima (kW) necessária para acionar a bomba de calor? 
 (Resposta: 3 kW)