Aula 18 Tetra I Pg 556 Mquinas trmicas

Aula 18 – Tetra I – Pg 556 Máquinas térmicas

Máquinas Térmicas: introdução e funcionamento

Máquinas Térmicas Motor

Máquinas Térmicas Motor • Em um motor o gás absorve calor de uma fonte quente. • A fonte quente pode ser constituída pela caldeira da máquina a vapor, ou pela queima do combustível no interior de um motor a combustão. A energia térmica produzida na queima é absorvida pelo gás. útil • Parte do calor absorvido pelo gás é convertido em trabalho útil, fazendo a roda girar, por exemplo. • No entanto, parte do calor absorvido pelo gás não é convertido em trabalho útil. Dizemos que esse calor é perdido pelo gás e despejado na fonte fria.

Máquinas Térmicas Motor Conversão de parte da Energia Térmica em Energia Mecânica ciclo (útil) • Ciclo no sentido horário → τ > 0 • O gás cede energia mecânica ao meio

Sinais de Q, ΔU, τ e entendimento de cada etapa do ciclo

Máquinas Térmicas Motor Conversão de parte da Energia Térmica em Energia Mecânica ciclo (útil) • Ciclo no sentido horário → τ > 0 • O gás cede energia mecânica ao meio

Máquinas Térmicas Motor O gás cede energia mecânica ΔU = Q - τ ( + ) = (+) + (+) O gás recebe calor da fonte quente

Máquinas Térmicas Motor O gás recebe energia mecânica ΔU = Q - τ ( - ) = (-) + (-) O gás cede calor à fonte fria

Máquinas Térmicas Motor O gás cede energia mecânica O gás recebe calor da fonte quente O gás cede calor à fonte fria

Máquinas Térmicas Motor | Qq | > | Qf | O gás cede energia mecânica O gás recebe calor da fonte quente O gás cede calor à fonte fria

Máquinas Térmicas Motor • Em um motor o gás absorve calor de uma fonte quente. • A fonte quente pode ser constituída pela caldeira da máquina a vapor, ou pela queima do combustível no interior de um motor a combustão. A energia térmica produzida na queima é absorvida pelo gás. • Parte do calor absorvido pelo gás é convertido em trabalho útil, fazendo a roda girar, por exemplo. • No entanto, parte do calor absorvido pelo gás não é convertido em trabalho útil. Dizemos que esse calor é perdido pelo gás e despejado na fonte fria.

Máquinas Térmicas: rendimento de um motor

Máquinas Térmicas - Rendimento de um motor = 600 J = 150 J • Exemplo: um gás absorve 600 J de uma fonte quente e perde 450 J para a fonte fria. Calcule o trabalho útil realizado e o rendimento do motor. = 450 J • O que significa que essa máquina converte 25% do calor recebido da fonte quente em trabalho útil.

Máquinas Térmicas - Rendimento de um motor • O rendimento avalia o percentual de calor absorvido pelo gás que é convertido em trabalho • Para o cálculo do rendimento (n), utilizaremos os valores absolutos, ou seja, não iremos considerar os sinais. útil • Não existe máquina com rendimento 100%, ou seja, não existe máquina que converta todo o calor absorvido em trabalho útil! Parte do calor sempre é cedido à fonte fria.

2º Princípio da Termodinâmica: motor Enunciado de Kelvin-Planck É impossível a construção de um dispositivo que, por si só, isto é, sem a intervenção do meio externo, consiga transformar em trabalho todo calor absorvido de uma fonte. Interpretação: não existe um motor com rendimento 100%.

Máquinas Térmicas: refrigerador Introdução e funcionamento

Máquinas Térmicas – Refrigerador ou máquina frigorífica ciclo Fonte quente (fora) Gás Fonte fria (dentro) Energia mecânica fornecida ao gás por um compressor ligado à rede elétrica

Máquinas Térmicas – Refrigerador ou máquina frigorífica Conversão de Energia Mecânica em Energia Térmica N ciclo A • Um refrigerador retira calor da fonte fria e despeja na fonte quente (processo não espontâneo). Para que isso aconteça, um compressor realiza trabalho sobre o gás (τ < 0). • De maneira geral, a energia mecânica (trabalho) é convertida em energia térmica.

Máquinas Térmicas – Refrigerador ou máquina frigorífica Conversão de Energia Mecânica em Energia Térmica Eficiência térmica N A ciclo A eficiência térmica (e) calcula a relação entre a quantidade de calor retirada da fonte fria e o trabalho realizado pelo compressor. Para o cálculo da eficiência térmica utilizaremos apenas valor absolutos.

2º Princípio da Termodinâmica: refrigerador Enunciado de Clausius É impossível a construção de um dispositivo que, por si só, isto é, sem a intervenção do meio externo, consiga transferir calor de um corpo para outro de temperatura mais elevada. Interpretação: não existe um refrigerador que consiga transferir calor de uma fonte fria para uma fonte quente sem a intervenção de um agente externo. No caso de uma geladeira, para que o calor possa ser absorvido da parte interna (fonte fria) e despejado na parte de trás (fonte quente), é preciso que o compressor dessa geladeira realize um trabalho sobre o gás.

Extra 1 - (UEPG-PR) Em relação às máquinas térmicas, assinale o que for correto. (01) Máquinas térmicas são dispositivos que convertem parte da energia térmica recebida em trabalho mecânico. (02) O motor a combustão de um automóvel é um exemplo de máquina térmica. (04) De acordo com a primeira lei da Termodinâmica, o calor adicionado a um sistema é numericamente igual à variação da energia interna do sistema mais o trabalho externo realizado pelo sistema. (08) As máquinas térmicas mais eficientes transformam todo o calor recebido de um reservatório quente em trabalho mecânico. (16) O rendimento de uma máquina térmica é numericamente igual à razão entre a temperatura da fonte quente pela temperatura da fonte fria.

Extra 1 - (UEPG-PR) Em relação às máquinas térmicas, assinale o que for correto. (01) Máquinas térmicas são dispositivos que convertem parte da energia térmica recebida em trabalho mecânico. CORRETO

Extra 1 - (UEPG-PR) Em relação às máquinas térmicas, assinale o que for correto. (02) O motor a combustão de um automóvel é um exemplo de máquina térmica. CORRETO Entrada de combustível Saída dos gases após a combustão

Extra 1 - (UEPG-PR) Em relação às máquinas térmicas, assinale o que for correto. (02) O motor a combustão de um automóvel é um exemplo de máquina térmica. CORRETO

Extra 1 - (UEPG-PR) Em relação às máquinas térmicas, assinale o que for correto. (04) De acordo com a primeira lei da Termodinâmica, o calor adicionado a um sistema é numericamente igual à variação da energia interna do sistema mais o trabalho externo realizado pelo sistema. CORRETO 1ª Lei da termodinâmica ΔU = Q - τ

Extra 1 - (UEPG-PR) Em relação às máquinas térmicas, assinale o que for correto. (08) As máquinas térmicas mais eficientes transformam todo o calor recebido de um reservatório quente em trabalho mecânico. INCORRETO

Extra 1 - (UEPG-PR) Em relação às máquinas térmicas, assinale o que for correto. (16) O rendimento de uma máquina térmica é numericamente igual à razão entre a temperatura da fonte quente pela temperatura da fonte fria. INCORRETO Tratando-se de um Ciclo de Carnot (Q α T) Resposta 01 + 02 + 04 = 07

Extra 2 - (Enem) O motor de combustão interna, utilizado no transporte de pessoas e cargas, é uma máquina térmica cujo ciclo consiste em quatro etapas: admissão, compressão, explosão, expansão e escape. Essas etapas estão representadas no diagrama da pressão em função do volume. Nos motores a gasolina, a mistura ar/combustível entra em combustão por uma centelha elétrica. Para o motor descrito, em qual ponto do ciclo é produzida a centelha elétrica? a) A b) B c) C d) D e) E

Extra 2 - (Enem) O motor de combustão interna, utilizado no transporte de pessoas e cargas, é uma máquina térmica cujo ciclo consiste em quatro etapas: admissão, compressão, explosão, expansão e escape. Essas etapas estão representadas no diagrama da pressão em função do volume. Nos motores a gasolina, a mistura ar/combustível entra em combustão por uma centelha elétrica. AB: Admissão BC: Compressão Explosão Centelha (faísca) CD: Explosão Centelha (faísca) DE: Expansão EB: Escape BA: Escape Para o motor descrito, em qual ponto do ciclo é produzida a centelha elétrica? a) A b) B c) C d) D e) E

Extra 2 - (Enem) O motor de combustão interna, utilizado no transporte de pessoas e cargas, é uma máquina térmica cujo ciclo consiste em quatro etapas: admissão, compressão, explosão, expansão e escape. Essas etapas estão representadas no diagrama da pressão em função do volume. Nos motores a gasolina, a mistura ar/combustível entra em combustão por uma centelha elétrica. AB: Admissão BC: Compressão Centelha (faísca) Saída dos gases após a combustão Entrada de combustível CD: Explosão DE: Expansão EB: Escape BA: Escape Para o motor descrito, em qual ponto do ciclo é produzida a centelha elétrica? a) A b) B c) C d) D e) E

Extra 3 - (Famerp 2017) A figura representa o diagrama de fluxo de energia de uma máquina térmica que, trabalhando em ciclos, retira calor (Q 1) de uma fonte quente. Parte dessa quantidade de calor é transformada em trabalho mecânico (τ) e a outra parte (Q 2) transfere-se para uma fonte fria. A cada ciclo da máquina, Q 1 e Q 2 são iguais, em módulo, respectivamente, a 4000 J e 2. 800 J. Sabendo que essa máquina executa 3. 000 ciclos por minuto, calcule: a) o rendimento dessa máquina. b) a potência, em watts, com que essa máquina opera. τ

Extra 3 - (Famerp 2017) A figura representa o diagrama de fluxo de energia de uma máquina térmica que, trabalhando em ciclos, retira calor (Q 1) de uma fonte quente. Parte dessa quantidade de calor é transformada em trabalho mecânico (τ) e a outra parte (Q 2) transfere-se para uma fonte fria. A cada ciclo da máquina, Q 1 e Q 2 são iguais, em módulo, respectivamente, a 4000 J e 2. 800 J. Sabendo que essa máquina executa 3. 000 ciclos por minuto, calcule: a) o rendimento dessa máquina. 1 ciclo n = 30% τ = 1200 J

Extra 3 - (Famerp 2017) A figura representa o diagrama de fluxo de energia de uma máquina térmica que, trabalhando em ciclos, retira calor (Q 1) de uma fonte quente. Parte dessa quantidade de calor é transformada em trabalho mecânico (τ) e a outra parte (Q 2) transfere-se para uma fonte fria. A cada ciclo da máquina, Q 1 e Q 2 são iguais, em módulo, respectivamente, a 4000 J e 2. 800 J. Sabendo que essa máquina executa 3. 000 ciclos por minuto, calcule: b) a potência, em watts, com que essa máquina opera. = 60000 W 3000 ciclos 3000 x τ 3000 x 1200 = 3. 600. 000 J

Extra 4 - (Enem PPL 2017) Rudolph Diesel patenteou um motor a combustão interna de elevada eficiência, cujo ciclo está esquematizado no diagrama pressão x volume. O ciclo Diesel é composto por quatro etapas, duas das quais são transformações adiabáticas. O motor de Diesel é caracterizado pela compressão de ar apenas, com a injeção de combustível no final. No ciclo Diesel, o calor é absorvido em: a) AB e CD, pois em ambos ocorre realização de trabalho. b) AB e BC, pois em ambos ocorre elevação da temperatura. c) CD, pois representa uma expansão adiabática e o sistema realiza trabalho. d) AB, pois representa uma compressão adiabática em que ocorre elevação de temperatura. e) BC, pois representa expansão isobárica em que o sistema realiza trabalho e a temperatura se eleva.

Extra 4 - (Enem PPL 2017) Rudolph Diesel patenteou um motor a combustão interna de elevada eficiência, cujo ciclo está esquematizado no diagrama pressão x volume. O ciclo Diesel é composto por quatro etapas, duas das quais são transformações adiabáticas. O motor de Diesel é caracterizado pela compressão de ar apenas, com a injeção de combustível no final. BC: isobárica CD: adiabática (Q = 0) AB: adiabática (Q = 0) DA: isovolumétrica No ciclo Diesel, o calor é absorvido em: a) AB e CD, pois em ambos ocorre realização de trabalho. b) AB e BC, pois em ambos ocorre elevação da temperatura. c) CD, pois representa uma expansão adiabática e o sistema realiza trabalho. d) AB, pois representa uma compressão adiabática em que ocorre elevação de temperatura. e) BC, pois representa expansão isobárica em que o sistema realiza trabalho e a temperatura se eleva.

B→C cte ΔU = Q - τ Q>0 Q = ΔU + τ O gás recebe calor ( + ) = (+) + (+)

5. (Fuvest 2015) O desenvolvimento de teorias científicas, geralmente, tem forte relação com contextos políticos, econômicos, sociais e culturais mais amplos. A evolução dos conceitos básicos da Termodinâmica ocorre, principalmente, no contexto a) da Idade Média. b) das grandes navegações. c) da Revolução Industrial. d) do período entre as duas grandes guerras mundiais. e) da Segunda Guerra Mundial.