Aula 4 - Ciclo de Carnot 2021

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Ciclo de Carnot
Ciclo de Carnot
Máquina de Carnot
Máquina térmica descrita por Sadi Carnot que opera de uma forma
completamente reversível onde todo calor absorvido é absorvido no
reservatório quente e todo a calor rejeitado é rejeitado no reservatório frio
Eficiência e Coeficiente de 
Desempenho
Relação entre a energia pretendida pelo processo e a energia gasta:
𝜂 𝑜𝑢 𝛽 =
𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑝𝑟𝑒𝑡𝑒𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑎
𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑔𝑎𝑠𝑡𝑎
Observação:
O termo eficiência é aplicado em geral para ciclos de
potência enquanto coeficiente de desempenho é aplicado
para ciclos de refrigeração
Máquinas Térmicas
Reservatório Quente (QQ)
Fontes de Calor
Libera Calor
Reservatório Frio (QF)
Absorve Calor
-W
𝑊 = 𝑄𝑄 − 𝑄𝐹
Eficiência térmica:
𝜂 =
𝑊
𝑄𝑄
=
𝑄𝑄 − 𝑄𝐹
𝑄𝑄
= 1 −
𝑄𝐹
𝑄𝑄
Máquinas Térmicas
Para que 𝜂 = 100% é necessário que QF seja igual a 
zero. 
𝜂 =
𝑊
𝑄𝑄
=
𝑄𝑄 − 𝑄𝐹
𝑄𝑄
= 1 −
𝑄𝐹
𝑄𝑄
Nenhuma máquina ainda alcança isso!
O que delimita a eficiência máxima?
A reversibilidade do processo!
Ciclo completamente reversível Ciclo de Carnot
Ciclo de Carnot
Teorema de Carnot
Para dois reservatórios de calor dados, nenhuma máquina
pode possuir uma eficiência térmica superior à de uma
máquina de Carnot;
A eficiência térmica de uma máquina de Carnot depende
somente dos níveis de temperatura e não da substância de
trabalho utilizada na máquina.
Ciclo de Carnot
𝜼 =
𝒆𝒏𝒆𝒓𝒈𝒊𝒂 𝒑𝒓𝒆𝒕𝒆𝒏𝒅𝒊𝒅𝒂
𝒆𝒏𝒆𝒓𝒈𝒊𝒂 𝒈𝒂𝒔𝒕𝒂
𝑊 = 𝑄𝑄 − 𝑄𝐹
Ciclos de Potência
Dispositivo ou máquinas que produzem trabalho a partir de calor em um processo cíclico.
Exemplo:
1. Água líquida, vinda de um condensador, é bombeada para o interior de uma caldeira a alta pressão.
2. Calor de um combustível é transferido para água no interior da caldeira, convertendo-a em vapor
d’água a uma temperatura elevada na pressão da caldeira.
3. Energia é transferida, como trabalho no eixo, do vapor d’água para vizinhança, por um dispositivo,
tal como uma turbina, no qual o vapor de expande reduzindo a sua pressão e sua temperatura.
4. Vapor sai da turbina, é condensado pela transferência de calor para vizinhança, produzindo água
líquida para retornar para a caldeira, completando o ciclo.
1° Lei para Sistemas Integrados
condensador
QH = calor absorvido
W
caldeira
turbina
TH
TC
W
bomba
QC = calor rejeitado
Wcilco = Wturbina - Wbomba
Ciclo de Carnot
Ciclo de Potência de Carnot
Ciclo teórico gerador de potência que funciona com 2 transformações
isentrópicas (sem atrito e sem troca de calor) e 2 transformações isotérmicas
➢ É teórico → maior rendimento térmico entre duas temperaturas. Utilizado
como referencial para outros ciclos.
Etapa 1: Expansão isotérmica
ƒEtapa 2: Expansão adiabática até que a temperatura diminua de TQ para TF
ƒEtapa 3: Compressão isotérmica
ƒEtapa 4: Compressão adiabática até que a temperatura aumente de TF para TQ
Ciclo de Carnot
Etapa 1: Expansão isotérmica
ƒEtapa 2: Expansão adiabática até que a temperatura diminua de TQ para TF
ƒEtapa 3:
ƒEtapa 4: Compressão adiabática até que a temperatura aumente de TF para TQ
Q = 0
Q = 0
Q2
Q1
V
P
T1
T2
T1, p1, V1
T1, p2, V2
T2, p3, V3
T2, p4, V4
Diagrama PV
Ciclo de Carnot
A PLANTA DE POTÊNCIA A 
VAPOR
Diagrama TxS
Na prática:
✓ Em 2: superaquecimento do vapor (proteção da turbina)
✓ Em 4: condensação total até líquido saturado ou sub-resfriado (proteção da bomba)
Ciclo de Carnot
𝜼 =
𝒆𝒏𝒆𝒓𝒈𝒊𝒂 𝒑𝒓𝒆𝒕𝒆𝒏𝒅𝒊𝒅𝒂
𝒆𝒏𝒆𝒓𝒈𝒊𝒂 𝒈𝒂𝒔𝒕𝒂
Ciclo de Carnot – Eficiência
Eficiência de Carnot para Ciclo de Refrigeração
Para o caso do ciclo de refrigeração, pode-se representar o ciclo de
Carnot como o ciclo de potência operando de forma inversa. Visto que
todos os processos são reversíveis, as equações envolvidas são as mesmas.
Ciclo de Carnot – Eficiência
Ciclo de Potência
Ciclos de refrigeração
Bombas de calor
𝜂 = 1 −
𝑄𝐹
𝑄𝑄
𝛽 =
𝑄𝐹
𝑄𝑄 − 𝑄𝐹
𝛽 = 1 −
𝑄𝑄
𝑄𝑄 − 𝑄𝐹
Exercício
(a)QH = 600 kJ, Wcycle = 300 kJ, QC = 300 kJ
(b) QH = 400 kJ, Wcycle = 280 kJ, QC =120 kJ
(c) QH = 700 kJ, Wcycle = 300 kJ, QC = 500 kJ
(d) QH = 800 kJ, Wcycle = 600 kJ, QC = 200 kJ
Os dados listados a seguir são afirmados para um ciclo de potência que opera entre os
reservatórios quente e frio a 1000K e 300K, respectivamente. Para cada caso determine
se o ciclo opera reversivelmente, irreversivelmente ou é impossível
Exercício
Uma planta que gera potência, com capacidade nominal de 800.000 kW, produz vapor d’água a
585K e descarrega calor para um rio a 295K. Se a eficiência térmica da planta é 70% do valor
máximo possível, que quantidade de calor é descarregada para o rio na operação com a capacidade
nominal?
Exercício
Em regime permanente, um novo ciclo de potência desenvolve potência a uma taxa de 100hp para
uma taxa de adição de calor de 5,1 x 105 BTU/h, segundo o seu inventor, enquanto opera entre os
reservatórios quente e frio a 1000K e 500K, respectivamente. Avalie essas alternativas.
Exercício
Um ciclo de refrigeração reversível opera, em regime permanente, entre os reservatórios quente e
frio a 300K e 270K, respectivamente. Determine a potência de entrada líquida teórica mínima
requerida, em KW por kW de transferência de calor do reservatório frio.