Máquina Térmica
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Máquina Térmica


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Máquina Térmica

Um motor térmico ou máquina térmica é um sistema que converte calor ou energia térmica - e energia química - em energia mecânica , que pode então ser usada para fazer trabalho mecânico. Ele faz isso trazendo uma substância de trabalho de uma temperatura de estado mais alta para uma temperatura de estado mais baixa.

A substância de trabalho gera trabalho no corpo de trabalho do motor durante a transferência de calor para o dissipador mais frioaté atingir um estado de baixa temperatura. Durante este processo, parte da energia térmica é convertida em trabalho , explorando as propriedades da substância de trabalho. A substância de trabalho pode ser qualquer sistema com uma capacidade de calor diferente de zero , mas geralmente é um gás ou líquido. Durante esse processo, muito calor é perdido para o ambiente e, portanto, não pode ser convertido em trabalho.



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Ciclo Térmico

Motores de calor distinguem-se de outros tipos de motores pelo fato de que sua eficiência é fundamentalmente limitada pelo teorema de Carnot. Embora essa limitação de eficiência possa ser uma desvantagem, uma vantagem dos motores térmicos é que a maioria das formas de energia pode ser facilmente convertida em calor por processos como reações exotérmicas (como combustão), absorção de luz ou partículas energéticas, atrito , dissipação. e resistência. Como a fonte de calor que fornece energia térmica ao motor pode ser alimentada virtualmente por qualquer tipo de energia, os motores térmicos são muito versáteis e têm uma ampla gama de aplicabilidade.


Melhorias do Motor de Calor

Os engenheiros estudaram os vários ciclos de motores térmicos para melhorar a quantidade de trabalho utilizável que poderiam extrair de uma determinada fonte de energia. O limite de ciclo de Carnot não pode ser alcançado com nenhum ciclo baseado em gás, mas os engenheiros descobriram pelo menos duas maneiras de contornar esse limite e uma maneira de obter melhor eficiência sem dobrar nenhuma regra:

  • Aumente a diferença de temperatura no motor térmico. A maneira mais simples de fazer isso é aumentar a temperatura do lado quente, que é a abordagem usada nas modernas turbinas a gás de ciclo combinado . Infelizmente, os limites físicos (como o ponto de fusão dos materiais usados para construir o motor) e as preocupações ambientais em relação à produção de NO x restringem a temperatura máxima em motores térmicos viáveis. Modernas turbinas a gás operam a temperaturas o mais altas possíveis dentro do intervalo de temperaturas necessário para manter uma saída aceitável de NOx.
  • Outra maneira de aumentar a eficiência é diminuir a temperatura de saída. Um novo método para fazer isso é usar fluidos mistos de trabalho químico e explorar o comportamento de mudança das misturas. Um dos mais famosos é o chamado ciclo Kalina , que usa uma mistura 70/30 de amônia e água como fluido de trabalho. Essa mistura permite que o ciclo gere energia útil a temperaturas consideravelmente mais baixas do que a maioria dos outros processos.
  • Explore as propriedades físicas do fluido de trabalho. A exploração mais comum é o uso de água acima do ponto crítico, ou vapor supercrítico. O comportamento dos fluidos acima de seu ponto crítico muda radicalmente, e com materiais como água e dióxido de carbono é possível explorar essas mudanças no comportamento para extrair maior eficiência termodinâmica do motor térmico, mesmo se estiver usando um Brayton ou Rankine razoavelmente convencional. ciclo. Um material mais recente e promissor para essas aplicações é o CO2.


Eficiência

A eficiência de um motor de calor relaciona a quantidade de trabalho útil que é produzido para uma determinada quantidade de energia térmica.

Das leis da termodinâmica , após um ciclo completo:

eqalign&W=Qc(Qh)cr&W=limits{}PdVcr&Qh=ThΔShcr&Qc=TcΔSc}

Em outras palavras, um motor de calor absorve a energia de calor da fonte de calor de alta temperatura, convertendo parte dela para trabalho útil e entregando o resto para o dissipador de calor de temperatura fria.



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Motor de Combustão

Em geral, a eficiência de um dado processo de transferência de calor é definida informalmente pela relação entre "o que é retirado" e "o que é colocado". No caso de um motor, deseja-se extrair o trabalho e fazer uma transferência de calor.

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A eficiência máxima teórica de qualquer motor térmico depende apenas das temperaturas entre as quais opera. Essa eficiência é geralmente derivada usando um motor térmico imaginário ideal, como o motor térmico Carnot , embora outros motores que usam ciclos diferentes também possam atingir a máxima eficiência. Matematicamente, isso ocorre porque, em processos reversíveis , a mudança na entropia do reservatório frio é a negativa da do reservatório quente mantendo a mudança global de entropia zero. Portanto:

eqalign&η=1dfracTcΔScThΔShcr&η=1dfracTcTh