11 Máquinas Térmicas_EN

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Física – Máquinas Térmicas
Prof Bruno Fernandes – brunocfernandes@yahoo.com.br
MÁQUINAS TÉRMICAS
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
TRANSFORMAÇÃO ABERTA
( > 0
P
V
V
P
( < 0
(
(
(
(
MÁQUINAS TÉRMICAS
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
TRANSFORMAÇÃO FECHADA
ΔU = 0
(sentido horário)
 (sentido anti-horário)
( > 0
P
V
V
P
( < 0
(
(
(
(
MÁQUINAS TÉRMICAS
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
Máquinas térmicas são dispositivos usados para converter energia térmica em energia mecânica, através de um processo cíclico. 
QQ = T + QF
Fonte
Quente
MÁQUINA
TÉRMICA
(
Fonte Fria
QQ
QF
MÁQUINAS TÉRMICAS
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
EXEMPLO: Uma máquina térmica retira da caldeira à temperatura de 500ºC, 300 J de energia, eliminando 100 J para o ambiente à temperatura de 27ºC. Qual o trabalho realizado pela máquina 
QQ = T + QF
300 = T + QF
300 = T + 100
T = 200 J
Fonte
Quente
MÁQUINA
TÉRMICA
(
Fonte Fria
QQ
QF
MÁQUINAS TÉRMICAS
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
Rendimento de Uma Máquina Térmica
Como QQ é sempre maior que T, o rendimento > 0 e menor que 1
Energia aproveitada
Energia total
MÁQUINAS TÉRMICAS
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
EXEMPLO: Uma máquina térmica retira da caldeira à temperatura de 500ºC, 300 J de energia, eliminando 100 J para o ambiente à temperatura de 27ºC. Qual o rendimento da máquina? 
QQ = T + QF
300 = T + QF
300 = T + 100
T = 200 J
Fonte
Quente
MÁQUINA
TÉRMICA
(
Fonte Fria
QQ
QF
MÁQUINAS TÉRMICAS
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
Rendimento de Uma Máquina Térmica
Mas QQ = T + QF
T = QQ - QF
MÁQUINAS TÉRMICAS
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
REFRIGERADORES
As máquinas frigoríficas (refrigeradores) são máquinas térmicas que transferem calor de uma fonte fria (congelador) para uma fonte quente (meio exterior) às custas de um trabalho externo (compressor).
Fonte
Quente
REFRIGERADOR
(
Fonte Fria
QQ
QF
MÁQUINAS TÉRMICAS
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
“É impossível construir uma máquina que, operando em transformações cíclicas, tenha como único efeito transformar completamente em trabalho a energia térmica recebida de uma fonte quente única”
Deste enunciado conclui-se que não existe uma máquina térmica ideal, isto é, com rendimento igual a 100%.. O ciclo termodinâmico de rendimento máximo é denominado ciclo de CARNOT.
"O calor não fluirá espontaneamente da fonte fria para a fonte quente sem a ação de um trabalho externo."
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
MÁQUINAS TÉRMICAS
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
CICLO DE CARNOT
Máquina com rendimento teórico máximo
QQ
QF
P
V
adiabática 1
isoterma TA
isoterma TB
adiabática 2
(
(
(
(
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
70.unknown
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
71.unknown
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
72.unknown
MÁQUINAS TÉRMICAS
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
Relação Entre Qa , Qb E Ta, Tb No Ciclo De Carnot
P
V
adiabática 1
isoterma TQ
isoterma TF
adiabática 2
(
(
(
(
a
b
c
d
processo ab( expansão isotérmica. O gás recebe calor da fonte quente e realiza trabalho.
processo bc( expansão adiabática. O gás realiza trabalho e esfria.
processo cd( compressão isotérmica. O gás perde calor para a fonte fria e sofre trabalho do meio externo.
processo da( compressão adiabática. O gás sofre trabalho do meio externo e esquenta.
W
QF
QQ
MÁQUINAS TÉRMICAS
	VETOR POSIÇÃO 
Rendimento no Ciclo De Carnot
Ciclo genérico
P
V
adiabática 1
isoterma TQ
isoterma TF
adiabática 2
(
(
(
(
a
b
c
d
processo ab( expansão isotérmica. O gás recebe calor da fonte quente e realiza trabalho.
processo bc( expansão adiabática. O gás realiza trabalho e esfria.
processo cd( compressão isotérmica. O gás perde calor para a fonte fria e sofre trabalho do meio externo.
processo da( compressão adiabática. O gás sofre trabalho do meio externo e esquenta.
W
QF
QQ
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
 Ciclo Otto
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
 Ciclo Stirling
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
 Ciclo Stirling
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
 Ciclo Stirling
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
 Ciclo Stirling
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
MÁQUINAS TÉRMICAS
 Ciclo Diesel
Vantagens:
1 – taxa de compressão maior
2 – o ar comprimido inflama o combustível sem necessidade de uma centelha de ignição.
A
B
C
D
Vo
V1
V2
V
P
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
AFA 2003
Uma máquina térmica, que opera segundo o ciclo de Carnot e cujo reservatório a baixa temperatura encontra-se a 27°C, apresenta um rendimento de 40%. A variação da temperatura em Kelvin, da fonte quente, a fim de aumentarmos seu rendimento em 10%, será.
a) 300			c) 100
b) 500			d) 600
Situação inicial: η = 0,4; TFRIA = 27+273 = 300K; TQUENTE = ??
Situação final: η = 0,5; TFRIA = 300K; TQUENTE = ??
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
ENTROPIA
A Entropia mede a desordem do sistema. 
MUDANÇA DE FASE
SEM MUDANÇA DE FASE
EXPANSÃO LIVRE DE UM GÁS
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
ENTROPIA
Exemplo: Um bloco de gelo com massa de 240g derrete reversivelmente. A temperatura permaneceu 0ºC durante todo o processo. Dado: LFUSÃO = 327,6 J/g Qual a variação de entropia do gelo?
Qual a variação de entropia do meio externo ?
Qual a variação de entropia do universo?
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
ENTROPIA
VARIAÇÃO DE ENTROPIA SEM MUDANÇA DE FASE
Qual a variação de entropia de 30 g de água que aumenta sua temperatura de 20ºC para 80ºC?
	VETOR POSIÇÃO 
PROBLEMAS UNIDIMENSIONAIS
ENTROPIA
VARIAÇÃO DE ENTROPIA NA EXPANSÃO LIVRE DE UM GÁS
Qual a variação de entropia quando 2 mols de hidrogênio sofrem uma expansão livre triplicando seu volume inicial?
Q
Q
t
h
=
O
O
V
V
S
3
ln
31
,
8
.
2
=
D
273
6
,
327
.
240
=
D
S
K
J
S
2
,
18
=
D
0
3
V
V
F
=
t
 > 0
P
V
t
 < 0
P
V
·
·
·
·
(sentido horário)
 (sentido 
anti-horário)
P
V
P
V
·
·
·
·
t
 < 0
t
 > 0
Q
F
Q
Q
-
=
1
h
Q
Q
t
h
=
P
V
adiabática 1
isoterma 
T
Q
isoterma 
T
F
adiabática 2
·
·
·
·
a
b
c
d
processo 
ab
®
 expansão isotérmica. O gás recebe calor da fonte
quente e realiza trabalho.
processo 
bc
®
 expansão 
adiabática. O gás realiza trabalho e esfria.
processo 
cd
®
 compressão isotérmica. O gás perde calor para a
fonte fria e sofre trabalho do meio externo.
processo da
®
 compressão 
adiabática. O gás sofre trabalho do
meio externo e esquenta.
W
Q
F
Q
Q
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
P
 
V
 
adiabática 1
 
isoterma 
T
A
 
isoterma 
T
B
 
adiabática 2
 
·
 
·
 
·
 
·
 
2
=
n
A
B
A
V
V
V
nR
S
+
=
D
ln
INICIAL
FINAL
T
T
mc
S
ln
=
D
ò
=
D
T
dQ
S
K
/
J
288
S
meio
-
=
D
K
J
S
/
288
=
D
0
dV
.
p
=
=
t
ò
 
A
 
BV
A
 
V
B
 
válvula
 
A
 
B
 
V
A
 
V
B
 
válvula
 
EXPANSÃO LIVRE
 
ï
î
ï
í
ì
+
ï
î
ï
í
ì
1
B
A
2
1
A
1
T
 
:
a
temperatur
V
V
 
:
volume
P
 
:
pressão
 
final
 
estado
T
 
:
a
temperatur
V
 
:
volume
P
 
:
pressão
 
inicial
 
estado
P
1
P
V
P
2
V
A
V
A
 + V
B
a
T
1
b
=
+
T
V
V
V
nRT
A
B
A
ln
A
B
A
V
V
V
nR
+
ln
Q
F
Q
Q
Q
Q
-
=
h
F
Q
F
Q
T
T
Q
Q
=
ò
=
=
dQ
T
1
ò
=
D
T
dQ
S
K
mol
J
R
.
31
,
8
=
ò
=
t
d
T
1
U
Q
D
+
=
t
F
Q
F
Q
T
T
Q
Q
-
=
A
B
A
V
V
V
nR
S
+
=
D
ln
 
Fonte
 
Quente
 
REFRIGERADOR
 
t
 
Fonte Fria
 
Q
Q
 
Q
F
 
T
mL
S
=
D
0
=
D
universo
S
FINAL
INICIAL
T
T
U
U
=
®
=
D
®
D
+
=
0
0
0
K
cal
S
6
,
5
=
D
INICIAL
FINAL
T
T
mc
S
ln
=
D
273
20
273
80
ln
.
1
.
30
+
+
=
D
S
Q
F
T
T
-
=
1
h
K
T
T
Q
Q
500
300
1
4
,
0
=
®
-
=
Q
F
T
T
-
=
1
h
T
U
D
K
T
T
Q
Q
600
300
1
5
,
0
=
®
-
=
B
GMk
hc
T
p
8
3
=
 
Fonte
 
Quente
 
MÁQUINA
 
TÉRMICA
 
t
 
Fonte Fria
 
Q
Q
 
Q
F
 
t
h
F
Q
=
T
Mc
M
hc
GMk
B
2
8
D
=
D
®
p
 
A
 
B
 
C
 
D
 
V
o
 
V
1
 
V
2
 
V
 
P
 
Q
Q
t
h
=
67
,
0
3
2
300
200
=
=
=
h
%
67
100
67
,
0
=
x
K
J
S
2
,
18
=
D
0
3
V
V
F
=
O
O
V
V
S
3
ln
31
,
8
.
2
=
D
O
O
V
V
S
3
ln
31
,
8
.
2
=
D
O
O
V
V
S
3
ln
31
,
8
.
2
=
D
O
O
V
V
S
3
ln
31
,
8
.
2
=
D
O
O
V
V
S
3
ln
31
,
8
.
2
=
D
O
O
V
V
S
3
ln
31
,
8
.
2
=
D
O
O
V
V
S
3
ln
31
,
8
.
2
=
D
O
O
V
V
S
3
ln
31
,
8
.
2
=
D