Mquinas Trmicas Contedo essencial Mquinas Trmicas introduo e

Máquinas Térmicas

Conteúdo essencial 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

Não essencial 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 cede 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.

Conteúdo essencial 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 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%.

Conteúdo essencial 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 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. (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 FALSIANE

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 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 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.

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

Ciclo Otto – motor a gasolina e a álcool

Ciclo Otto – motor a gasolina e a álcool • • AB : admissão – entrada da mistura ar e combustível. BC : compressão adiabática da mistura. C : ignição (fáisca). CD: combustão isovolumétrica. DE: expansão adiabática. EB : Abertura da válvula. BA : saída dos gases.