Reviso de Conceitos de Termodinmica Thermo Net Thermodynamics

Revisão de Conceitos de Termodinâmica Thermo. Net Thermodynamics: An Integrated Learning System P. S. Schmidt, O. A. Ezekoye, J. R. Howell and D. K. Baker Copyright (c) 2005 by John Wiley & Sons, Inc

Introdução Ø Máquinas Térmicas Impossíveis Enunciado de Kelvin-Planck TH QH W “É impossível construir uma máquina térmica que opera num ciclo termodinâmico e não produza outros efeitos além trabalho e troca de calor com um único reservatório térmico. ” Pois, essa máquina converteria 100% do calor fornecido em trabalho. ” Revisão de Conceitos de Termodinâmica

Introdução Ø Máquinas Térmicas Impossíveis Enunciado de Clausius TH QH W= 0 QL TL “É impossível construir uma máquina térmica que opera segundo um ciclo termodinâmico e que não produza outros efeitos além da transferência de calor de um corpo frio para um corpo quente”. Pois é impossível construir um refrigerador que opere sem receber trabalho. Revisão de Conceitos de Termodinâmica

Introdução Ø Máquina Térmica Configuração A TH QH W Realizado QL TL É possível ? Revisão de Conceitos de Termodinâmica

Introdução Ø Máquina Térmica Configuração A TH QH W Realizado QL TL É impossível pois viola a primeira lei. Revisão de Conceitos de Termodinâmica

Introdução Ø Máquina Térmica Configuração B TH QH W Realizado QL TL É possível ? Revisão de Conceitos de Termodinâmica

Introdução Ø Máquina Térmica Configuração B TH QH W Realizado QL TL É possível pois não viola a primeira nem a segunda lei Revisão de Conceitos de Termodinâmica

Introdução Ø Máquinas Térmicas Configuração C TH QH W recebido QL TL É possível ? Revisão de Conceitos de Termodinâmica

Introdução Ø Máquinas Térmicas Configuração C TH QH W recebido QL TL É possível pois não viola a primeira nem a segunda lei. As configurações B e C podem funcionar e são o reverso uma da outra, daí a expressão máquina térmica reversível. Revisão de Conceitos de Termodinâmica

Introdução Ø Trabalho e Calor Século XVIII: o homem descobriu como obter trabalho a partir de um fluxo de calor. A Máquina a Vapor (térmica) foi inventada: o calor liberado pela queima de carvão e madeira transformava água em vapor que então produzia trabalho. Bombeava a água das minas, movia trens e navios, tocava as fábricas, transportava cargas. Consequência: Revolução Industrial do século XIX. Questionava-se: como avaliar a quantidade máxima de trabalho que poderia ser obtida a partir de uma dada quantidade de combustível. Revisão de Termodinâmica

Introdução Ø Trabalho e Calor Questionava-se: se uma locomotiva abastecida de carvão pode me levar daqui a SP, com uma máquina a vapor mais eficiente será que eu poderia fazer uma viagem maior ? Nicolas Léonard Sadi Carnot, um jovem engenheiro militar francês, resolveu o problema de se calcular o rendimento máximo de uma máquina térmica. Máquina Térmica: qualquer aparelho ou dispositivo para transformar calor em trabalho. Seu funcionamento está relacionado a três fatos: 1) Recebe calor de uma fonte quente à temperatura constante T 1. 2) Rejeita calor para algo frio à uma temperatura T 2. 3) Realiza (ou recebe) trabalho. Revisão de Termodinâmica

Introdução Ø Teoremas provados por Carnot: 1) Todos os motores reversíveis operando entre as mesmas duas temperaturas T 1 e T 2, têm o mesmo rendimento. 2) Dos motores que operam entre as mesmas duas temperaturas, os reversíveis têm o maior rendimento. 3) Para a mesma temperatura T 1 da fonte quente, o motor reversível que opera com maior ΔT tem maior rendimento e pode produzir mais trabalho. Vide Tipos de Máquinas Térmicas Revisão de Termodinâmica

O Ciclo de Carnot Ø “A máquina térmica que opera mais eficientemente entre um reservatório de alta temperatura e um reservatório de baixa temperatura é chamada máquina de Carnot. ” Ø Descrição da máquina de Carnot: É uma máquina ideal que utiliza somente processos reversíveis em seu ciclo de operação 2 W 3 1 W 2 3 W 4 4 W 1 P 1 T = cte 2 Q=0 QH 4 QL TH Isolado TL Isolado 1→ 2 2→ 3 3→ 4 4→ 1 Revisão de Termodinâmica Q=0 T = cte 3 V

O Ciclo de Carnot 1→ 2: Expansão isotérmica: O calor é fornecido ao fluido de forma reversível por um reservatório de alta temperatura a uma temperatura constante TH. O pistão no cilindro é movido e o volume aumenta. 2→ 3: Expansão adiabática reversível: O cilindro é completamente isolado, de modo que nenhuma transmissão de calor ocorra durante esse processo reversível. O pistão continua a ser movido com o volume aumentando. 3→ 4: Compressão Isotérmica: O calor é rejeitado pelo fluido de maneira reversível para um reservatório de temperatura baixa a uma temperatura constante TC. O pistão comprime o fluido com diminuição do volume. 4→ 1: Compressão adiabática reversível: O cilindro é completamente isolado, não permitindo nenhuma transmissão de calor durante esse processo reversível. O pistão continua a comprimir o fluido até este atinja o volume, a temperatura e a pressão originais, completando assim, o ciclo. EXERCÍCIOS Revisão de Termodinâmica

Rendimento de uma Máquina Reversível Ø O trabalho realizado durante um processo pode ser expresso como: se o gás for perfeito, Ø Lembrando que, e Ø Desconsiderando as demais formas de energia, Ø A primeira Lei pode ser reescrita da forma, Revisão de Termodinâmica

Rendimento de uma Máquina Reversível 1→ 2: Expansão isotérmica: 2→ 3: Expansão adiabática reversível: então, 3→ 4: Compressão Isotérmica: 4→ 1: Compressão adiabática reversível: então, Revisão de Termodinâmica

Rendimento de uma Máquina Reversível Ø Manipulando os resultados da expansão e compressão adiabática e Ø Logo o rendimento será, Ø Desta forma, Revisão de Termodinâmica então

Rendimento de uma Máquina Reversível EC*- Um motor de Carnot opera entre duas fontes de temperaturas a 200 o. C e 20 o. C, respectivamente. Se o trabalho desejado for de 15 k. J, conforme a figura abaixo, determine a transmissão de calor do reservatório de alta temperatura e a transmissão de calor para o reservatório de baixa temperatura. EC*- Um refrigerador está resfriando um espaço a -5 o. C transferindo calor para a atmosfera que está a 20 o. C. O objetivo é reduzir a temperatura do espaço para -25 o. C. Calcule a percentagem mínima de aumento de trabalho necessário, assumindo um refrigerador de Carnot, para a mesma quantidade de calor removido. Revisão de Termodinâmica