Máquinas Térmicas

ATIVIDADE CONTEXTUALIZADA AV1 MÁQUINAS TÉRMICAS Nome Completo Tiago Ribeiro do Nascimento Matrícula01489833 Curso Engenharia Mecânica REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ATIVIDADE CONTEXTUALIZADA AV1 MÁQUINAS TÉRMICAS Nome Completo Tiago Ribeiro do Nascimento Matrícula01489833 Curso Engenharia Mecânica Relação entre trabalho calor e a Primeira Lei da Termodinâmica A Primeira Lei da Termodinâmica é um dos pilares da física representando a aplicação do princípio de conservação da energia aos sistemas termodinâmicos Em termos simples ela afirma que a energia não pode ser criada nem destruída apenas transformada de uma forma para outra SERWAY JEWETT 2004 p 235 A equação fundamental que descreve essa lei é ΔU Q W Onde ΔU é a variação da energia interna do sistema Representa a mudança na energia total armazenada nas partículas que compõem o sistema Q é a quantidade de calor transferida para o sistema Calor é a energia em trânsito devido a uma diferença de temperatura W é o trabalho realizado pelo sistema Trabalho é a energia transferida quando uma força atua sobre um objeto causando um deslocamento Interpretação da Equação ΔU 0 A energia interna do sistema aumentou Isso pode ocorrer quando o sistema absorve calor Q 0 eou realiza um trabalho negativo W 0 ou seja quando trabalho é realizado sobre o sistema ΔU 0 A energia interna do sistema diminuiu Isso acontece quando o sistema cede calor Q 0 eou realiza um trabalho positivo W 0 ou seja quando o sistema realiza trabalho sobre as suas vizinhanças ΔU 0 A energia interna do sistema permanece constante Isso ocorre quando a quantidade de calor absorvido é igual ao trabalho realizado pelo sistema Halliday Resnick e Walker2016 Trabalho realizado pelo motor a combustão interna O motor a combustão interna é o coração pulsante de diversos veículos automotivos Seu funcionamento baseiase em um ciclo termodinâmico que transforma a energia química do combustível em energia mecânica Nesse processo a mistura de combustível e ar é comprimida em um cilindro e em seguida inflamada A combustão resulta em um aumento significativo da pressão dos gases que empurram o pistão para baixo realizando trabalho mecânico Heywood 1988 destaca que a eficiência desse processo é significativamente influenciada pela taxa de compressão que define o aumento de volume do cilindro durante a fase de compressão A energia mecânica gerada pela expansão dos gases é transmitida ao virabrequim convertendo o movimento linear do pistão em movimento rotativo Esse movimento é então utilizado para impulsionar as rodas do veículo Conforme Heywood 1988 as perdas por atrito mecânico representam uma parcela considerável das perdas de energia em um motor a combustão interna Fatores que influenciam a eficiência do motor Taxa de compressão Quanto maior a taxa de compressão maior a eficiência térmica do motor mas também aumenta o risco de detonação Combustível A qualidade do combustível e sua capacidade de combustão influenciam diretamente a eficiência e as emissões do motor Sistema de ignição Um sistema de ignição eficiente garante a queima completa da mistura arcombustível otimizando a combustão Sistema de refrigeração O sistema de refrigeração controla a temperatura do motor evitando danos e otimizando o desempenho Perdas mecânicas O atrito entre as peças móveis do motor causa perdas de energia mecânica reduzindo a eficiência Conversão de calor em trabalho em uma turbina a vapor Em uma turbina a vapor a energia térmica do vapor gerado em uma caldeira a alta pressão e temperatura é convertida em trabalho mecânico Ao ser direcionado contra as pás da turbina o vapor se expande rapidamente perdendo pressão e impulsionando as pás a girar Essa energia cinética rotacional é então utilizada para gerar eletricidade em um gerador acoplado ao eixo da turbina Esse processo de conversão de energia térmica em trabalho mecânico é um dos princípios fundamentais da termodinâmica conforme detalhado em livrostexto como o de Van Wylen e Sonntag 2015 A expansão do vapor na turbina ocorre em estágios permitindo extrair o máximo de energia do fluido de trabalho Cada estágio consiste em um conjunto de pás fixas e móveis que direcionam o fluxo de vapor e extraem energia dele A perda de pressão do vapor ao longo da turbina resulta em uma diminuição da temperatura e o vapor pode sair da turbina na forma de líquido saturado ou líquidovapor O ciclo Rankine é o modelo termodinâmico idealizado para representar o funcionamento de uma turbina a vapor Esse ciclo consiste em quatro processos 1 Bombeamento A água líquida é bombeada para a caldeira aumentando sua pressão 2 Adição de calor Na caldeira a água é aquecida e vaporizada a alta pressão e temperatura 3 Expansão isentrópica O vapor se expande na turbina realizando trabalho e diminuindo sua pressão e temperatura 4 Condensação O vapor é condensado em um condensador retornando ao estado líquido A eficiência de uma turbina a vapor é influenciada por diversos fatores como Temperatura e pressão do vapor Quanto maior a temperatura e a pressão do vapor à entrada da turbina maior será a eficiência Taxa de expansão Uma expansão mais gradual do vapor na turbina pode aumentar a eficiência Perdas Perdas por atrito vazamentos e transferência de calor para o ambiente reduzem a eficiência da turbina Exemplo de perda de eficiência devido a transferência de calor indesejada Um exemplo comum é o motor de um carro onde parte do calor gerado pela combustão é dissipada pelo sistema de arrefecimento e para o ambiente Essa dissipação de calor representa uma perda de energia que não é convertida em trabalho útil reduzindo a eficiência total do motor De acordo com Heywood 1988 as perdas térmicas em um motor a combustão interna são significativas e limitam a eficiência térmica do ciclo que raramente ultrapassa 40 Além das perdas por calor outros fatores como atrito entre as peças móveis e perdas por bombeamento também contribuem para a redução da eficiência global Importância da Primeira Lei da Termodinâmica na engenharia de máquinas térmicas A Primeira Lei da Termodinâmica constitui o alicerce da engenharia de máquinas térmicas fornecendo um arcabouço teórico para analisar e otimizar processos de conversão de energia Essa lei fundamental estabelece que a energia total em um sistema isolado permanece constante ou seja a energia pode ser transformada de uma forma para outra mas não pode ser criada ou destruída Ao aplicar essa lei os engenheiros podem realizar um balanço energético detalhado em cada etapa de um ciclo térmico identificando as entradas e saídas de energia na forma de calor e trabalho Essa análise permite localizar as perdas de energia como o calor dissipado para o ambiente e propor soluções para minimizálas aumentando assim a eficiência da máquina É importante ressaltar que embora a Primeira Lei garanta a conservação da energia a Segunda Lei da Termodinâmica impõe limitações à conversão de calor em trabalho Nem toda a energia térmica fornecida a uma máquina pode ser convertida em trabalho útil Essa limitação impacta diretamente a eficiência máxima que uma máquina térmica pode atingir conforme detalhado por Bejan 2006 A compreensão profunda da Primeira Lei aliada à Segunda Lei permite aos engenheiros projetar máquinas térmicas mais eficientes como motores de combustão interna turbinas a vapor e ciclos de refrigeração Ao otimizar esses sistemas é possível reduzir o consumo de combustíveis fósseis diminuir as emissões de gases do efeito estufa e contribuir para um futuro mais sustentável Além disso a aplicação dos princípios da termodinâmica é fundamental para o desenvolvimento de novas tecnologias como motores híbridos e células a combustível que buscam superar as limitações das máquinas térmicas convencionais REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Serway R A Jewett J W 2004 Física para Cientistas e Engenheiros São Paulo Cengage Learning Halliday David Resnick Robert e Walker Jearl 2016 Fundamentos de Física Rio de Janeiro LTC Heywood J B Internal Combustion Engine Fundamentals McGrawHill Education 1988 Van Wylen G J Sonntag R E Fundamentos da termodinâmica 8 ed Rio de Janeiro LTC 2015 Rio de Janeiro LTC 2007 SCHMIDT F W e HENDERSON R E Introdução às Ciências Térmicas 2 ed São Paulo Ed Edgar Blücher Ltda 1996 BEJAN A