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Calor & Trabalho Termodinâmica. Em elaboração: Prof. Patrícia 2009. Termodinâmica. Estuda conversão entre calor e trabalho M T carro em movimento freando T M locomotiva a vapor ou um reator nuclear Queima de carvão fissão do urânio
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Calor & TrabalhoTermodinâmica Em elaboração: Prof. Patrícia 2009
Termodinâmica Estuda conversão entre calor e trabalho M T carro em movimento freando T M locomotiva a vapor ou um reator nuclear Queima de carvão fissão do urânio Calor absorvido pela água, que provoca vaporização Vapores em expansão, realizam trabalho mecânico Energia mecânica Energia térmica
Trabalho e calor trocado entre gás e o meio Gás – sistema em estudo Convenção de sinais: W>zero W<zero
Transformação Variáveis de estado Variáveis de estado P1 V1 T1 U1 Transformação P2 V2 T2 U2 Estado 1 Estado 2 Processos “Caminho” descrito pelo sistema na transformação. U = variação de energia interna
Energia Interna de um gás ideal U U depende da quantidade de gás e de sua temperatura 1a Lei da Termodinâmica Lei Geral da Conservação da Energia Q = W + ΔU
Processo isovolumétrico U = Q - W W = 0
Processo isobárico W = Po [VB-VA]
Termodinâmica - Processo Isotérmico Êmbolo movimentado lentamente ∆U = 0→ ∆T=0 Primeira Lei: Q = W + ΔU ΔU = Q – W Q = W
Termodinâmica - Processo adiabático O processo ocorre tão rapidamente que o sistema não troca calor com o exterior. Q = 0 Movimento rápido do êmbolo. Primeira Lei da Termodinâmica ∆U = Q - W Q = 0 → ∆U= - W W = - ∆U = - n·Cv·∆T Trabalho transforma-se em calor W Área sob o gráfico
Processos cíclicos – ciclo de Carnot 1.- ∆U = ∆U = 0 [no ciclo, Tfinal = Tinicial] 2.- Q = Q 3.- W = W = área 12341 1a Lei da Termodinâmica ∆U = Q – W Q = W [no ciclo, ΔU = 0] W > 0 → Q 0 O sentido do ciclo no diagrama PV : horário. O sistema recebe Q e entrega W
Máquinas Térmicas “Trabalham” em ciclos. A máquina de Denis Papin1647 - 1712 Trabalho W FONTE QUENTE De onde a máquina retira calor QHot. FONTE FRIA Para onde a máquina rejeita calor QCold
Ciclo de Otto Para ver um pouco mais: http://www.poli.br/arquivos/DOWNLOADS/RELAT%D3RIO%20DE%20ESTAGIO/ELETRONICA/Max%20Luiz/MOTOR%20DE%20CICLO%20OTTO.pdf http://www.mspc.eng.br/termo/termod0520.shtml
Ciclo Diesel Para ver um pouco mais: http://www.mspc.eng.br/termo/termod0520.shtml
Modelo dos reservatórios térmicos Carnnot: é fundamental a diferença de temperatura para que a máquina térmica funcione. Eficiência térmica: 1ªLei ∆U = 0 W = Q1-Q2 Em cada ciclo Eficiência = W/Q1= (Q1-Q2)/Q1 ε= [1 – Q2/Q1]
Ciclo de Brayton - Introduçãohttp://www.mspc.eng.br/termo/termod0530.shtml Também denominado ciclo de Joule, é o processo teórico dos motores de turbina a gás. A Figura apresenta dá o esquema básico. Entre 1 e 2 o ar é comprimido de forma adiabática por um compressor tipo axial.Ao passar pelo queimador ou câmara de combustão (de 2 a 3), o ar se expande devido ao fornecimento de calor pelo processo de combustão. Isso ocorre supostamente sob pressão constante porque a forma construtiva da câmara oferece pouca resistência ao fluxo.O ar aquecido pela combustão movimenta uma turbina num processo teoricamente adiabático (de 3 a 4).Saindo da turbina, o ar troca calor com o ambiente num processo claramente isobárico. Entre 1 e 2 o ar é comprimido de forma adiabática por um compressor tipo axial.
Ciclo de Brayton Compressor e turbina são montados no mesmo eixo, de forma que uma parte do trabalho fornecido é usado no próprio processo de compressão.Turbinas a gás são usadas principalmente em aviões e na geração de energia elétrica, mas há também embarcações e mesmo veículos terrestres com esse tipo de motor.Portanto, o trabalho produzido pode ser extraído em forma de acionamento mecânico ou fluxo de ar no caso de uma turbina aeronáutica.
Ciclo Rankine Ciclos termodinâmicos usuais para fornecer trabalho: Otto, Diesel, Brayton. Uma característica comum desses ciclos é o contato direto da combustão com o gás de operação (ar). Isso demanda o emprego de combustíveis nobres, no estado líquido ou gasoso, como gasolina, álcool, óleo diesel, querosene, gás natural. Naturalmente, motores Otto, Diesel ou turbinas a gás não podem ser usados quando o calor é oriundo da queima de combustíveis sólidos ou residuais, como carvão, lenha, bagaço, óleo pesado, etc.Para esses casos, o vapor d'água é a alternativa padrão: o combustível é queimado numa caldeira que produz vapor que, por sua vez, produz trabalho utilizável.Vapor é também utilizado no caso especial da fonte de calor ser uma reação de fissão atômica, ou seja, em usinas nucleares.A Figura dá o esquema simplificado de uma instalação para produzir trabalho a partir do vapor: na maioria das vezes é usada uma máquina tipo turbina, acionada pelo vapor produzido pela caldeira (ou gerador de vapor). http://www.mspc.eng.br/termo/termod0540.shtml
650 K Qual é o rendimento máximo possível de uma máquina térmica que opere entre as fontes de 650 K e 400 K? 400 K ε = 1 - T2/T1 = 1 – [400/650] = 0,61 ou = 61%
