Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
87 I. GENERALIDADES área ::= 1 REFRIGERADOR L- ....Jv p MOTOR V FlG. I: Trabalho de deformação volumétrica em ciclo de transformações . p ~. ~CI!~(2UNAS Tb:R\lICAS Todo corpo do qual o sistema "recebeI! calor é uma fonte de calor; salvo expressa citação contrária, admite-se que a lemperatura da fonte seja invariável, independente do colnr que ela ceda. Todo corpo do qual o sistema "recebe" trabalho é uma fonte de trabalho. As fontes de calor são: uma quente ( T, ) c, outra, fria ( T, , com T, < T, ). A máquina "recebe" o calor Ql da fonte quente, O calor 02 da fonte fria e o trabalho 1 do fonte de trabalho . ~d~íqllill:1Stcnnicas sjo dispositi\'os que operam em CICLOS, "rL~cebendo" calor e traballw. Podt:tll ser mOlor~s, refrigeradores e lennobombas. Uma lransll)rmaçào aberta começa, transcorre.: c cessa: não há continuidade.:. Já ullla 0lh:ra~ào incessante só pode constituir no encadeamento de ciclos, conforme indicl a FI(;. I. 111- SEGVNlJO PRINCíPIO [lA TERMODlN.ÁIVIICA o Primeiro Princípio da Tennodinãmic<l (PPTD) afirma a conversão de energia: quando 3 cnergiZl transita de um corpo :I outro, dOll quando rIa se canvelte de uma modalidade para outra, essa energia. não aUlllenta nem diminui; a energia do universo permanece J mesma. O Segundo Princípio da Termodinâmica (Sl'rlJ) estabelece niterios quantitativos de '\'onvcrtibilidade" de energia: da energia degradada (calor) oferecida em certas condi~.t)cs. qual ~ a maior fração nh.~l'aniZ3\'d~ Qual é a cota de sacriticio que, rcbs prúprias cOlldições da natureza, indepcndc do progresso tt.:cnológico? É esse o assul1to desse capitulo . ~••••••••••••••••••••••••••••••••••• o motor ténnico opera segundo a FIG. 2. O chamado "calor quente" Q, é valioso: ele provém de combustões, da energia nuclear, do sol, do interior da terra, ... Dadas as fontes quente e fria, o motor transfomla em trabalho uma parte do calor extraido da fonte quente. O "calor frio" Q, é inútil, quota de sacrificio. T, Q, MOTOR TÉRMICO FIG. 2: t = Q, - Q, O refrigerador e a termobomba operam confonne ilustrado na FIG. 3. O trabalho provém de uma fonte de trabalho, a qual pode ser um motor elétrico, um motor ténnico, um motor hidráulico, etc. Às custas do trabalho t, dada a fonte quente cria-se a fonte fria em refrigerador. Dada a fonte fria cria-se a fonte quente em temobomba. O que interessa é o Ilcalor frio" Q2 em refrigerador. o "calor quente" Q, em tennobomba. REFRlGERADOR ou TERMOBOMBA FIG.3: Q, = Q, - t 88 eIllI •••••••••••••••••••.1••••••••••••••• 89 3. CICLO DE CARNOT COM GÁS PERFEITO Para refrigerador e lermobomba define-se o coeficiente de desempenho (ou de eficiência) (CD): Os ciclos termodinâmicos são muitos: cada um recebe o nome do pesquisador com méritos destacados na sua concepção. Citamos Rankine, alto, Diesel, etc. Em teoria, destaca-se o ciclo de Carnal. (2) (I)t 11 = Q, - Q, Q, 11 = Q, Pode ser ciclo motor ou ciclo refrigerador. A reversibilidade faculta a conversão de um no outro, através dos mesmos estados. Para fixar as idéias estudaremos o ciclo motor, representado na FIG. 4 . Chama-se ciclo de Carnal lodo ciclo reversível que se compõe de duas transformações isotérmicas em temperaturas desiguais, e duas transformações adiabáticas. Intervém duas fontes de calor em temperaturas invariáveis e uma fonte de trabalho. O corpo operante pode ser qualquer gás perfeito. É o ciclo fundamental da termodínâmica . CD = Q, (3 ) t ou CD = Q, -t (4) t com CD> I com 11< I ou Para o motor térmico define-se rendimento térmico, (11): •••••••••••••••••••••••••••••••••••• EXPANSÃO ISOTÉRMICA AB: •••••••••••••••••••••••••••••••••••• (7) (9) (8) (6) (5) 'BC = - n.CV.(T1 - T,) _ [VB]'AR - n.R.T,.ln V A 90 A=(T, , PA • VA) B = (T, • PB , VB) C=(T1, Pc, Vc) D=(T1 , Po , Vo) FIG. 4: Ciclo de Camot com gás perfeito. EXPANSÃO ADIABÁTICA BC: ESTADOS: Sabemos que: (14) (13) (11) (12) (10) 91 n.R.(T, - T,).ln(V./VA) n.R.T,.ln(V./VA) '1 = T '1 = - Q, T = n.R.(T, - T,). In V.VA T = n.R.T,.ln [~:] + n.R.T,.In [~~] TCD = n.R.T,.ln [~~] :. t = tAS +lCO Aplicando a equação (I), temos o rendimento térmico do ciclo de Carnal: Observe que: O trabalho no ciclo é: COMPRESSÃO ADIABÁTICA DA: COMPRESSÃO ISOTÉRMICA CO: •••••••••••••••••••••••••••••••••••• lnvertendo-se o sentido das transformações, o ciclo motor toma-se refrigerador, com coe ti ciente de desempenho (CO) dado pela equação (3): Invertendo cada troca de energia resulta na FIG. 2. A extração de calor de uma fonte fria requer trabalho, que se soma àquele calor, e deve ser fornecido a uma fonte quente. CO = Q2 t CO = ~ (16)T,-T2 "A transformação de calor em trabalho em um processo permanente só pode ocorrer em ciclos, nos quais o corpo operante (sistema) ganha cator de uma fonte quente, perde calor para uma fonte fria e transforma essa diferença em trabalho" (FIG. 1). •. ,•••••••••••••••••••••••••••••••••• (15)Q, = Q2 T, T2 Os enunciados de Kelvin e Cláusius são sucintos e enfáticos: Kelvin: Não existe máquina térmica que extrai calor de uma fonte e o converte no trabalho eouivalente, sem outro efeito. 92 Camot deu-lhe um enunciado específico para o motor térmico: 4. SEGUNDO PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA (SPTD) Fazendo (2) = (14), temos: •••••••••••••••••••••••••••••••••••• o imprescindível "outro efeito" é a cessão de calor residual à fonte fria. É por isso que o calor é uma fonna de energia degradada: por sua própria natureza, é impossível a mecanização integral do calor extraído de uma fonte . Vejamos o enunciado de Clàusius: Cláusius: Não existe máquina térmica que extrai calor de uma fonte e o transporta ara outra mais uente sem outro efeito . o imprescindível "outro efeito" é o trabalho de acionamento que a máquina recebe . 5. TEOREMA DE CARNOT Chama-se ciclo de Camot todo ciclo reversível que se compõe de duas transformações ísotérmicas em temperaturas desiguais, e duas transformações adiabáticas . O corpo operante é qualquer . TEOREMA DE CARNOT: Dos motores térmicos que operam entre as mesmas fontes, nenhum tem um rendimento maior do que o motor de Carnal. Sendo 1', e 1', as temperaturas das fontes, as trocas de calor só se efetuam nas temperaturas 1', e 1',. As transformações adiabáticas asseguram as variações de temperatura do corpo operante, de 1', para 1', e de 1', para 1'" porém sem troca de calor. Dadas duas máquinas térmicas operando entre as mesmas fontes, uma C de Carnot e outra X não de Carnal (a diferença essencial entre elas consiste na reversibilidade da primeira e na irreversibilidade da última) . 93 94 •••••., ••••••••., ••••••••••••••••••••• Q'2 Q" X(Tl,) T2 tt t t ->- Q'\ Q, 'lx > 'lc .. T2 Q, - Q', = (Q, - t) - (Q',-t) C ( 'lc ) FIG. 6: As máquinas C e X acopladas eqüivalem à máquina C + X. FIG. 5: Os calores e trabalhos figuram em valor absoluto. Invertamos C (reversibilidade!) e acoplemos as máquinas (FIG.6) Q, TI Q'\ [£]0"t X -- C+X T2 Q2 T2 Q'2 T2 iQ2-Q'2 Hipótese: Consideremos os motores C e X, que em cada ciclo realizam trabalho igual (FIG. 5). Demonstraremos o teorema por redução ao absurdo: admitindo 'lx > 'lc, decorre contradição com o SPTD, logo é forçoso ser'lx ~ 'lc. ------------------------------ --- 95 Sejam as máquinas C, e C,. Pela demonstração supra: C, - refrigerador] 'l, " 'l,C, - motor (17) ( 18) (19) 'lx " 'lc 'l, ='l, Logo: C, - motor ] 'l,"'hC, - refrigerador COROLARIO: Todos os motores de Carnat que operam entre as mesmas fontes possuem rendimentos térmicos iguais . Portanto, a máquina (C + X) eqüivale a (não C): o enunciado de Cláusius nega a possibilidade fisica da máquina representada por (C+ X). Logo é impossível ser 'lx > 'lc' Conclusão: Se a máquina X for reversível, é o motor de Carnot, e então 'lx = 'lc. Se a máquina X for irreversível, a irreversibilidade implica em dissipação, portanto, desperdício, e temos, nesse caso, 'lx < 'lc . Para o cálculo de 'lc, o Teorema de Camot dá toda liberdade na escolha do corpo operante. O gás perfeito faculta a solução mais simples, e a conclusão tem validade geral. Em nada influem a natureza do corpo operante, os pormenores de construção da máquina, a extensão das transformações isotérmicas: o rendimento do ciclo de Camot depende só das temperaturas das fontes: •I.•••••••••••••••••••••••••••••••••• Do calor Q, extraído da fonte quente, o maior trabalho que se pode obter é realizado pelo ciclo de Camot, ele é: o ciclo de Camot tem rendimento máximo dentre todos entre duas temperaturas T, e T, (T, > T,): Em processo real sempre há dissipação, logo o trabalho extraído é menor. O corpo operante "recebe" das fontes os calores Q, e Q" respectivamente. Em valor absoluto é: (22) (21) (20) 96 1_ T, T, __ T, - T, 'lc- = T, IQ,I = IQ,I T, T, Na prática, T, é a temperatura mais baixa disponível no ambiente próximo da máquina. Quanto mais elevada for a temperatura T I da fonte quente, maior é o rendimento do ciclo. A temperatura absoluta dá fonte quente é índice de qualidade do calor que ela fornece. ••••••••••••••••••••••••••••••••• • 1•L-__________________ • ICD = 3,01 375 = 1500 = Q, 300 1500 400 Q, = Q, T, T, r T] = Q, ÇJ. = Q', T, T, Q', 1500 IQ'\ =- 2000 JI= --400 300 Q', = r' + Q', r' = 2000 -1500 .. Ir' = 500 JI 97 CO = Q', = 1500 "[I 50 6) EXERCicIOS RESOLVIDOS r = 1500-1125 .. Ir = 375JI b) Refrigerador I. Uma máquina térmica ideal opera em ciclos de Carnot entre as temperaturas T, = 400 K e T, = 300 K. a) Operando como motor, a máquina recebe da fonte quente, em cada ciclo, o calor Q, = 1500 J. Determinar o calor Q, cedido à fonte fria, o trabalho r do motor e o seu rendimento térmico . b) Operando como refrigerador, a máquina retira da fonte fria em cada ciclo o calor Q, = 1500 J. Determinar o calor Q, cedido à fonte quente, o trabalho r consumido e o coeficiente de desempenho (CO) . Solução: a) Motor •••••••••••••••••••••••••••••••••••• •••••••••••••••••••••••••••••.'•••••• Q, Q2 'I '2 Q Q T Solução: a) Q, Q Q, 300 IQ, 60011= .. = - .. =T, T 600 300 Q2 Q Q2 300 IQ, = 40011= .. = - .. T2 T 400 300 b)" = Q,-Q = 600-300 .. h = 30011 '2 = Q2 -Q = 400-300 .. h = 10011 , = " + " = 300 + 100 ., I, = 40011 c) '1 , 400 h = 40%1= = ..Q, +Q, 600 +400 2. Dois motores de Camot operam entre fontes quentes diferentes e mesma fonte fria, conforme o esquema anexo. As temperaturas são T, = 600 K, T, = 400 K e T = 300 K. Em um ciclo cada motor cede à fonte fria o calor Q = 300 1. Para um ciclo, determinar: a) o calor que o par de motores extrai das fontes quentes; b) o trabalho do par de motores; c) o rendimento térmico do sistema. 98 4. Um corpo de gás perfeito monoatômico descreve, reversivelmente, o ciclo de transformações esquematizado; a transformação AB é adiabática (Cv = 3.R12) . a) Detenninar o calor e o trabalho em cada transformação e no ciclo . b) Calcular o rendimento térmico no ciclo, e O maior rendimento que se poderia obter com as mesmas fontes . 3. Motor ideal e motor real: Um motor térmico fisicamente perfeito opera em ciclos de Camot entre as temperaturas T, = 500 K e T, = 400 K. Em cada ciclo, a.máquina recebe da fonte quente o calor Q, = 2000 J . a) Determinar o calor Q, cedido á fonte fria, o trabalho do motor e o rendimento térmico . b) Em igualdade das demais condições, um motor real opera com a metade do rendimento; qual é o trabalho que ele realiza em cada ciclo? " = '1'.Q, = 0,10.2000 IQ, = 1600 J I I, = 400 J I I,' = 200 J I 1'1 = 20%1 !ri' = 10%1 Q = 2000 . 400 , 500 (atm) A C: B V ( litro ) 16 48 99 ---- -- P 10 400 2000 , '1 , = Q, -Q, = 2000-1600 b)'1' = .!.''1 2 a) 2L T, Solução: •••••••••••••••••••••••••••••••••••• •••••••••••••••••••••••••••••••••••• P. = Pc = 1,602 atm y = 5/3 _ n.~.R.[48.1,602 - 10.16] 2 n.R n.R Qoe = -51,264+(-76,869) QBC = -128,16 atm.litro 100 'U - ~ R.[ 1,602.16 -1,602.48] U BC - n.. ------ 2 n.R n.R !lUBC = - 76,896 atm.litro tBC = - 51,264 atm.litro N toe = área = -1,602.(48-12) tAB =- 124,656 atm.litro !lUAB = - 124,656 atm.lilro !lUAB = 0-(124,656) tAB = QAB = O 10.16\{3 = P•. 48\{3 AB ---- adiabática: BC ---- [SOBÁRICA: Solução: 160- 25,632 160 (confere) 'lmax. ;;: '1 = 36,41% 73,392 201,552 to;'"~ = L tj = 124,656+(-51,264)+0 ""UCA = 201,552 atm.l AU = ~ R [10.16 -1,602.16J ti CA n... ----- 2 n.R n.R 101 QCA = 201,552atm.1 QCA = 0+201,552 t"", = 73,392 atm.! Q"", = 73,392 atm.! 10.16 1,602.16----- n.R n.R 10.16 n.R 'lmk = 83,98% 'lmáx. = ClCLO: CA ----- ISOMÉTRICA: ••••••••••••••••• ' .•••••••••••••••••• Solução: 5. Na região antártica monta-se um laboratório ("container"). A temperatura é - 33'C no exterior e deve ser mantida a 27'C no interior. Nessas condições, o laboratório perde calor para o ambiente com uma potência de 18,0 KW. Esse calor deve ser reposto por uma termo bomba acionada por um motor Diesel: Determinar o menor consumo teórico de energia para a termo bomba. LABORATóRrc r, = )00 K Q) TERMO 1 BOMBA- Q2 AMBIENTE T2=240 K o menor consumo ocorre em um ciclo de Camot: ~ = Q2 T, T, 18 = Q2 300 240 IQ, = 14,4 KJ I 1 = Q, -Q, = 18-14,4 1 = 3,6 KJ 102 •••••el•••••••••••••••••••••••••••••• 7) EXERCíCIOS PROPOSTOS P (alm) 8,32 - - - A V (I) V (1) ,B 12 B 12 IOJ J c; 8 p (atm) 3,328 --- A I. As temperaturas de três fontes de calor são T, = 500 K, T, e T, = 300 K, respectivamente. Um motor de Carnal "operaentre TI e Tz; o calor que ele retira aciona outro motor de Camot, que opera entre T, e T,. Os motores realizam trabalhos idênticos. Determinar T, . 2. O diagrama anexo representa o ciclo térmico percorrido por n maIs de um gás perfeito em certa máquina reversivel. A transformação AB é adiabática . Detenninar: a) os estados A, B e C; b) o rendimento térmico do ciclo . J. O gráfico anexo representa o ciclo térmico por n maIs de um gás perfeito (C, = 5.R/2), monoalômico, em certo motor. A transformação AB é adiabática. Dctenninar: a) os estados A, B e C; b) o rendimento térmico do ciclo; c) o rendimento da máquina de Camot que funcionasse entre as temperaturas extremas do ciclo . •••••••••••••••••••••••••••••••••••• 4. Um corpo de gás perfeito (Cp = 5.R12) percorre um ciclo reversível ABCA, sendo as transformações AB, BC c CA respectivamente isobárica, isométrica e adiabática. Dados: PA = 4 atm, VA = 2 litros e VR = 4 litros. Determinar: a) o rendimento térmico do ciclo; b) o rendimento térmico do motor de Camot que operasse entre as temperaturas extremas do ciclo. 5. As fontes quente e fria de um motor a ar estão nas temperaturas 1500'C e 10'C, respectivamente. O trabalho produzido por esse motor é empregado para acionar uma termobomba, cuja fonte fria está a 10'C c a fonte quente é um recinto a 40'C. Ambas as máquinas são supostas reversíveis. Determinar: a) o rendimento térmico do motor, o coeficiente de desempenho da termobomba; b) a razão entre o calor que o motor recebe da fonte quente e o calor que a termobomba fornece á sua fonte quente. 6. O sistema esquematizado compõe-se das máquinas de Camot R, e R" operando em série e efetuando ciclos simultaneamente. A temperatura é T, = 1200 K na fonte quente de R, e é T" sendo T, = 300 K. na fonte fria de R,. Em cada ciclo R, recebe 400 J da fonte quentee R, cede 100 J para a fonte fria. As duas máquinas possuem rendimentos iguais. Determinar: a) a temperatura T em que se efetua a troca de calor entre as duas máquinas; b) o trabalho de cada máquina em um ciclo; c) o rendimento térmico da máquina de Carnot equivalente do sistema. 104 •••••••••••••••••••••••••••••••••••• •••••••••••••••••••••••••••••••••••• 7. Dois motores térmicos de Carnot são acoplados, operando o par entre as temperaturas T, = 1200 K e T2 = 400 K. Os rendimentos térmicos estão na razão 11,/'h = 2,00. Em um ciclo temos '2 =1001. Pedem-se: a) a temperatura intermediária T; b) o calor Q, extraído à temperatura T,; " c) o calor Q2 fornecido à temperatura T2; d) o trabalho ',; e) o rendimento total. 8. O esquema e o diagrama anexos referem-se a um sistema de dois motores térmicos de Carnot, sendo Q, = 100 J e Q'2 = 50 J. Determinar: a)" ; Q2 ; 11,; b) '2 ; Q, ; 112; c) o rendimento térmico do sistema . 1200 K 105 p v 9. O esquema anexo realiza o trabalho total t = 2500 J por ciclo e é constituído por um motor M, real, que opera com um rendimento '1, = 20%. e um motor M, ideal. Determinar: a) os trabalhos t, e t, realizados por cada motor; b) a temperatura T, e o calor Q',. sabendo-se que um motor ideal de Camot. entre as mesmas fontes TI e T2, tem um rendimento 11', ;:;; 3. lll; c) T, ; Q, ; '1, 106 .l., •••••••••••••••••••••••••••••••••• •••••••••••••••••••••••••••••••••••• Q, 3000 J Q'I 10. No esquema estão representados dois motores de Carnal. O motor M, opera segundo o ciclo ASCO e o motor M, segundo o ciclo representado por EFGH. O rendimento do motor M, é '11 ; 50% e o calor Q, = 3 . Q,. Determinar: a) QI , Q, e Q, ; b) T, ' T) , '1, e Q4 ; c) t, e o rendimento '1 do sistema . 107 •••'I = 4 KJ '2 •Q4 •Ql QS T4 •M2TI M, •Q2 Q3 = 2 KJ •T2 T3 ••P QI •••••••••V •••••••••••••••108 •• Professor: 109 v Q I. Dois motores de Camot M, e M, operam segundo os ciclos esquematizados a seguir, O rendimento do motor M, é 'h = 40%. Os calores Q, , Q, e Q, valem, respectivamente, 2000 , 300 e 360, em joules. As temperaturas são TI = 500 K e T J = 200 K. Detenninar: a) 'l, ' ti e Q; b) t, ' Q', e T,; c) o rendimento do sistema . p Nome: .Número Data: .Horário: Turma: Assunto: SEGUNDO PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA Campus: 8. EXERCÍCIOS PARA ENTREGAR ••••••••••••••••••••••'. ••••••••••••• •1- - ••••••••••••••••••••••••••••••••••110 ~ •~ 2. Um 1110torM, e um refrigerador R de Carnot operam segundo os ciclos ASCD e EFGH, conforme o diagrama anexo. O rendimento do molar M vale a melade do rendimento do refrigerador R. As temperaturas são T, = 500 K e T, = 700 K. O calor fornecido Q, vale 2000 J. Delenninar: a) T, ; t e Q',; b)Q', e Q, . Q) 1I1 t F T) T, fi T2G V p ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 112 .l I.'.:••. ,•••••••••••••••••••••••••••••• I) T, = 400 K b) '1"d" = 42,88% 9) RESPOSTAS DOS EXERCÍCIOS PROPOSTOS b) '1~icl() = 44.94°/0 c) 'lóclo = 90,080/0 '1, = 50% '1, = 50% b) Q, = 268,62 J d)" = 437,231 b) T, = 240 K Q', = 24001 113 " = 1001 Q, = 501 Q) = 501 c) T, = 72 K Q, = 27001 '1, = 70,37% 8)a)',=501 b)" = 501 e) '1 = 66,67% 7) a) T = 548,91 K e)Q, = 805,85 1 e) '1 = 66,67% 9) a) ',= 6001 " = 19001 4) a) '1,id" = 17,8% b) '1,idu = 68,5% 5) a) '1m",,,, = 84,04% CD = 9,433 b)Q,/Q, = 0,1137 = 11,37% 6) a)T = 600 K b)" = 2001 c) 'lcamol = 75% 2) a) TA= 9,984/n.R Pu = 0,330 alm = Pc Ta = 3,962/n.R ; Te = I,OO/n.R 3) a) T, = 24,96/n.R ; Pu= Pc = 0,825 alm Tu = 9,905/n.R ; Te = 2,475/n.R •••••••••••••••••••••••••••••••••••• 114 10) RESPOSTAS DOS EXERCÍCIOS PARA ENTREGAR 2) a) T, = 388,89K ,= 444,44 J e O', = 1000 J b) O, = 555,56J e O', = 1555,56J I) a)'1,=60%; ',=1200J; 0=500J b)" = 240J ; O', = 100J ; T, = 120K c) 'I = 68,57% ••••••••••••••••••••••••••••••••••• O, = 1000 J ; O, = 3000 J '], = 37,5% ; O, = 6125 J 'I = 58,75% 10) a) O, = 8000 J ; b)T,=TJ=400K c)"= 1875J •••••••••••••••••••••••••••••••••••• •••••••••••••••••••••••••••••••••••• •••••••••••••••••••••••••••••••••••• ••••••••••••••• • 1••••••••••••••••• ~I r. I • •••••••••••••••••••••••••••••••••• Av. 0rMIea Romono. 308 • V. Arlu6lil1 CEP ~ • SIo Ilemonlo do Compo. SP 1° sem. 2014 .'.1 ••••••••••••••••••••••••••••• 1 ••i 00000001 00000002 00000003 00000004 00000005 00000006 00000007 00000008 00000009 00000010 00000011 00000012 00000013 00000014 00000015 00000016 00000017 00000018 00000019 00000020 00000021 00000022 00000023 00000024 00000025 00000026 00000027 00000028 00000029 00000030 00000031 00000032 00000033 00000034
Compartilhar