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APOSTILA 2: MÓDULO 3 Aplicações Termodinâmica. SITE: WWW. ISRAELAVEIRO. COM

Apostila 2 / Módulo 3 A termodinâmica teve início em 1650, com Otto Von Guericke. Ele foi o responsável pela criação da primeira bomba a vácuo do mundo, além de criar o primeiro vácuo artificial através das esferas de Magduberg. Anos mais tarde Robert Boyle ficou sabendo dos experimentos de Otto, e em parceria com Robert Hooke, construiu uma bomba de ar. Através dessa bomba, Boyle e Hooke perceberam a relação entre pressão, volume e temperatura, e através dessa descoberta Boyle formulou uma lei que estabelece que a pressão e o volume são inversamente proporcionais. Essa lei ficou conhecida como Lei de Boyle. A termodinâmica é baseada em quatro grandes leis: Lei zero da Termodinâmica: diz que quando dois corpos possuem temperaturas iguais em relação a um terceiro, diz-se que eles têm igualdade de temperatura entre si. Primeira Lei da Termodinâmica: ela fornece um aspecto quantitativo da conservação da energia. Lembrando que a conservação da energia diz que “na natureza nada se perde nada se cria, tudo se transforma”. Segunda Lei da Termodinâmica: fornece aspectos qualitativos de processos em sistemas físicos, ou seja, ela diz que um processo pode ocorrer tanto em uma direção como em outra. Terceira Lei da Termodinâmica: diz respeito a um ponto de referência para fazer a determinação da entropia do sistema.

Apostila 2 / Módulo 3 PARA QUE SERVE A TERMODIN MICA? A termodinâmica pode ser aplicada para outros campos da física e química, engenharia aeroespacial, engenharia mecânica, biologia celular, engenharia biomédica e ciência dos materiais, para citar alguns. Aqui estão alguns exemplos de algumas de suas aplicações: q Alimento. A cozinha quente é um exemplo constante de transformações químicas através de processos termodinâmicos. q Ciência dos materiais. Nesse caso, os processos térmicos são usados para obter novos tipos de materiais que possuem propriedades químicas e físicas bem definidas. q Aplicações industriais. No mundo industrial, existem muitos processos que transformam matérias-primas em produtos acabados, usando máquinas e energia. Um exemplo é a indústria cerâmica, onde fornos de túneis longos atiram tijolos em temperaturas acima de 800 graus Celsius. q Arquitetura. No campo da construção, é muito importante levar em consideração as transferências térmicas entre o exterior e o interior da casa. Na arquitetura bioclimática, a termodinâmica desempenha um papel fundamental, razão pela qual todos os aspectos da energia solar passiva são estudados em detalhes. q Geração de eletricidade. Em todas as usinas termelétricas ( combustíveis fósseis, energia nuclear ou usinas solares), esses conceitos são usados para acionar turbinas a vapor e geradores elétricos. O estudo termodinâmico é de grande importância no caso da energia solar térmica, porque esse tipo de instalação solar é baseada na troca de calor.

Apostila 2 / Módulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmica foi enunciada por Sadi Carnot, físico francês, e faz restrições para as transformações que são realizadas pelas máquinas térmicas, como por exemplo, um motor de uma geladeira. Segundo Carnot, o enunciado é: “Para que um sistema realize conversões de calor em trabalho, ele deve realizar ciclos entre uma fonte quente e fria, isso de forma contínua. A cada ciclo é retirada uma quantidade de calor da fonte quente, que é parcialmente convertida em trabalho, e a quantidade de calor restante é rejeitada para a fonte fria. ”

Apostila 2 / Módulo 3 v Quantidade calor total envolvido: 1. Máquinas térmicas: São dispositivos que transformam a energia interna de um combustível em energia mecânica, elas convertem o calor em trabalho. I. Funcionam em ciclos, e utilizam duas fontes de temperaturas diferentes sendo delas uma quente e uma fria. II. O calor flui da fonte quente para a fonte fria, obedecendo a segunda lei da termodinâmica, parte do calor que sai da fonte quente vira trabalho e a outra parte é jogada para a fonte fria, definindo, dessa forma, a eficiência da máquina. III. Uma máquina térmica tem maior eficiência quando ela transforma mais calor em trabalho, portanto, rejeita menos calor para a fonte fria. v Trabalho total realizado pela máquina: v Rendimento da máquina térmica: Como τ = Qq – Qf , temos que:

Apostila 2 / Módulo 3 1. Máquinas térmicas: IV. Elas utilizam energia em forma de calor, normalmente gás ou vapor em expansão térmica para realizar o trabalho mecânico, essa energia é transferida através de sua expansão no interior da máquina térmica acionando o sistema mecânica, pistão, rotor ou outro, e realizando trabalho. Existe diferentes tipos de máquinas térmicas, mas todas possuem essas características: q Recebem calor de uma fonte quente, seja um reator nuclear, uma fornalha, etc. ; q Funcionam por ciclos. É importante saber que essas máquinas não transformam todo o calor em trabalho pois a transformação de calor em energia mecânica não é um processo espontâneo, ou seja, o rendimento de uma máquina térmica é sempre inferior a 100% (η < 0). v Para existir um bom rendimento, é necessário que a máquina opere entre uma temperatura muito alta e uma muito baixa. v Sendo uma transformação Cíclica, a energia interna será nula:

Apostila 2 / Módulo 3 Refrigeradores: São máquinas térmicas que transferem calor de uma fonte térmica, que se encontra a baixa temperatura, para uma outra de temperatura mais elevada. Não ocorre de maneira espontânea. É necessário um trabalho externo. A eficiência ( ε ) de uma máquina frigorífica é expressa pela quantidade de calor retirada da fonte fria (Qf) e o trabalho externo envolvido na transferência (τ). A fonte fria deverá estar localizada no espaço que se quer refrigerar, retirando o calor. Enquanto isso, a fonte quente deverá rejeitar o calor para o meio externo.

Apostila 2 / Módulo 3 Sabemos, pela Segunda Lei da Termodinâmica, que o fluxo natural da energia térmica é da fonte quente (corpo com maior temperatura) para a fonte fria (corpo com menor temperatura). Um processo inverso ao do fluxo natural é um processo forçado, exigindo fornecimento de energia ao sistema para que ele funcione. A ideia de refrigeração é baseada neste processo forçado. Um trabalho externo τ é realizado no sistema, com o objetivo de remover o calor da fonte fria e levá-lo a fonte quente. Veja a figura 1, que faz um esquema deste processo. O esquema é semelhante à máquina térmica de Carnot, mas operando inversamente. Observa-se que apenas há uma mudança de sentido nas setas, sendo todos os processos reversíveis. O ciclo de refrigeração possui quatro etapas importantes (consideraremos um ciclo de refrigeração por compressão mecânica de vapor): 1. Compressor: aspira o vapor refrigerante e o comprime; 2. Condensador: transforma o vapor em líquido; 3. Válvula de expansão (ou tubo capilar): sua pressão é reduzida para que o fluido entre novamente no evaporador (expansão isoentálpica); 4. Evaporador: o calor latente de vaporização é absorvido e enviado ao compressor, para iniciar um novo ciclo. A entalpia é o calor contido em uma substância, dado em kcal/kg. Veja este ciclo na figura a seguir.

Apostila 2 / Módulo 3 O fluido que se usa nos sistemas refrigeradores é chamado refrigerante. É um fluido que resfria materiais, absorvendo calor, tanto calor sensível, quanto calor latente. Um bom refrigerante possui, entre outras características, as seguintes: • calor latente de vaporização alto; • condensação sob pressões moderadas; • evaporação sob pressões acima da atmosférica; • pequeno volume específico; • se vazar, não prejudicar a camada de ozônio nem os alimentos, no caso de uma geladeira; • não corrosivo; • não tóxico; • não inflamável. Figura 1 - Esquema externo de uma geladeira doméstica. Os refrigerantes mais comuns são CFC's (clorofluorcarbonetos), HCFC's (hidroflurocarbonetos), amônia, dióxido de enxofre, dióxido de carbono, entre outros. O HCFC é usado para substituir os CFC, pois o cloro é um elemento prejudicial para a atmosfera. Figura 2 - Esquema interno de uma geladeira doméstica.

Apostila 2 / Módulo 3 CICLO de CARNOT: de CARNOT: Carnot em 1824 estabeleceu um ciclo que proporciona rendimento máximo a uma maquina térmica. O ciclo de Carnot, mostrado no diagrama (p, V), consta de duas transformações adiabáticas alternadas com duas transformações isotérmicas.

Apostila 2 / Módulo 3 1° Tempo - Admissão. O pistão começa no PMS (Ponto Morto Superior). A válvula de admissão abre e o pistão desce para o PMI (Ponto Morto Inferior), sugando a mistura ar/combustível devido ao aumento do volume do cilindro e conseqüentemente queda de pressão em seu interior, ao final a válvula de admissão é fechada. 2° Tempo Compressão. MOTOR QUATRO TEMPOS A válvula de admissão fecha, e o pistão sobe do PMI (Ponto Morto Inferior) de volta ao PMS (Ponto Morto Superior), comprimindo a mistura e aumentando a sua eficiência para a combustão. As válvulas de admissão e escape estão fechadas. 4° Tempo - Escape. Quando o pistão passa pelo PMI (Ponto Morto Inferior), a válvula de escape abre e o pistão sobe, empurrando os gases queimados para fora do ciclo. A válvula de admissão está fechada. Depois dessa "limpeza", o cilindro pode então ser novamente preenchido com mistura nova, recomeçando o ciclo. - 3° Tempo - Combustão. As válvulas de admissão e escape continuam fechadas. No momento certo, o sistema de ignição envia eletricidade à vela de ignição, que dispara uma faísca. A mistura ar/combustível se incendeia, esquentando e expandindo seu volume, empurrando violentamente o pistão para baixo. Este é o único tempo que gera força, todos os outros são como parasitas, necessários para que o motor complete o ciclo. No final desse tempo, a válvula de escape abre.

Apostila 2 / Módulo 3

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Apostila 2 / Módulo 3 Exemplos de exercícios: Exemplo: 01 - Uma máquina frigorífica retira de uma fonte fria 180 J de calor por ciclo, realizando um trabalho de 50 J. Calcule: a) a quantidade de calor enviada à fonte quente; b) a eficiência dessa máquina. Resolução: Exemplo: 02 - Numa máquina frigorífica, em cada ciclo do gás utilizado, são retirados 120 J do congelador. No processo a atmosfera (fonte quente) recebe 150 J. Determine: a) o trabalho do compressor em cada ciclo; b) o rendimento dessa máquina térmica. Resolução:

Apostila 2 / Módulo 3 Exemplos de exercícios: Exemplo: 03 - Uma máquina térmica ideal cujo compressor realiza trabalho de 10000 J. Se, durante o tempo de funcionamento dessa máquina o compressor e radiador transfere para o meio ambiente 7500 J de energia térmica, a eficiência do refrigerador é igual a: a) 33% b) 50% c) 67% d) 75% e) 100% Exemplo: 04 - Uma máquina térmica de Carnot com rendimento η é dado pela equação:

Apostila 2 / Módulo 3 Exemplos de exercícios: Exemplo: 05 - Qual o rendimento máximo teórico de uma máquina à vapor, cujo fluido entra a 560ºC e abandona o ciclo a 200ºC? Resolução: Exemplo: 06 - Uma máquina térmica cíclica recebe 5000 J de calor de uma fonte quente e realiza trabalho de 3500 J. Calcule o rendimento dessa máquina térmica. Resolução:

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