Revisão sobre as Leis da Termodinâmica

Universidade Federal do ABC Profa Dr José Rubens Maiorino BC1309 Termodinâmica Aplicada BC1309 BC1309 Termodinâmica Aplicada Termodinâmica Aplicada Segunda Lei da Termodinâmica Segunda Lei da Termodinâmica Segunda Lei da Termodinâmica BC1309Termodinâmica Aplicada Segunda Lei da Termodinâmica Revisão Revisão Revisão BC1309Termodinâmica Aplicada Lei Zero da Termodinâmica Lei Zero da Termodinâmica Lei Zero da Termodinâmica BC1309Termodinâmica Aplicada Quando dois corpos têm igualdade de temperatura com um terceiro corpo eles terão igualdade de temperatura entre si Lei Zero da Termodinâmica Lei Zero da Termodinâmica Lei Zero da Termodinâmica BC1309Termodinâmica Aplicada II SS O O LL AA NN TT EE CONDUTOR CONDUTOR CONDUTO CONDUTO RR AA CC BB Primeira Lei da Termodinâmica Primeira Lei da Termodinâmica Primeira Lei da Termodinâmica BC1309Termodinâmica Aplicada 1ª Lei da Termodinâmica Possibilidades e Impossibilidades BC1309Termodinâmica Aplicada Comparação com a 1ª Lei da Termodinâmica Compara Comparaçção com a ão com a 11ªª Lei da Termodinâmica Lei da Termodinâmica BC1309Termodinâmica Aplicada 2ª Lei da Termodinâmica A 2ª Lei da Termodinâmica diferentemente da 1º Lei não é uma lei de conservação Os sistemas termodinâmicos tendem a atingir um ponto de equilíbrio com o meio A 2ª Lei permite determinar qual a máxima eficiência de um ciclo termodinâmico Em geral podese aproveitar processos espontâneos e produzir trabalho calor fluindo de um corpo quente para um mais frio gás se expandindo de um pressão mais alta para uma mais baixa Duas questões se colocam 1 Qual o máximo valor teórico do trabalho e como ele poderia ser obtido 2 Quais fatores poderiam impedir a obtenção do máximo trabalho Do ponto de vista qualitativo e quantitativo com a 2ª Lei da Termodinâmica é possível Prever o sentido em que ocorrem os processos termodinâmicos Estabelecer condições de equilíbrio termodinâmico Determinação da eficiência máxima de ciclos termodinâmicos de potência e equipamentos Avaliação quantitativa dos fatores que impedem a obtenção desta máxima eficiência Definir uma escala de temperatura absoluta independente de substâncias termométricas Desenvolver meios de cálculo de propriedades termodinâmicas difíceis de serem medidas Máquinas Térmicas de Potência Motores Térmicos e Refrigeradores M Mááquinas T quinas Téérmicas de Potência rmicas de Potência Motores T Motores Téérmicos e rmicos e Refrigeradores Refrigeradores BC1309Termodinâmica Aplicada Motor Térmico dispositivo que opera em ciclo termodinâmico que retira calor de sua vizinhança meio fonte quente transfere a um fluido de trabalho e produz trabalho útil e trocando calor com uma fonte fria Bomba de Calor ou Refrigerador dispositivo que opera segundo um ciclo que recebe calor de um corpo a baixa temperatura e cede calor para um corpo a alta temperatura sendo necessário a realização de trabalho para sua operação Máquina térmica indica indistintamente um motor térmico ou uma bomba de calorrefrigerador Reservatório Térmico tipo especial de sistema que mantém sua temperatura constante mesmo que troque calor com outro sistema fonte quente ou fonte fria Normalmente a fonte fria é chamada sorvedouro de calor Reservatórios de Energia Térmica SorvedourosFonte Fria Reservat Reservatóórios de Energia T rios de Energia Téérmica rmica Fonte de Calor Fonte quente Fonte de Calor Fonte quente Combustão Química CO2CO2Qcalor Q1020 eV Reação Nuclear de Fissão MeV Q T Mc Q Q neutrinos n Z Y X n X fissao A Z A Z A Z A Z 200 2 1 0 1 1 0 2 2 1 1 γ ν BC1309Termodinamica Aplicada Reservatórios de Energia Térmica Energia Térmica Fonte CALOR Motor Térmico alta temperatura Fonte QH Wliq QL baixa temperatura Sumidouro Motores Térmicas de Potência Motores T Motores Téérmicas de Potência rmicas de Potência BC1309Termodinâmica Aplicada Motores Térmicas de Potência Motores T Motores Téérmicas de Potência rmicas de Potência BC1309Termodinâmica Aplicada Gerador de Vapor Turbina Bomba Condensador Exemplo Ciclo Termodinâmico de Rankine 3 1 2 4 WT WB combustível QL QH Usina a Vapor Motor Térmicos de Potência Motor T Motor Téérmicos de Potência rmicos de Potência BC1309Ana Maria Pereira Neto Reservatório Térmico a Temperatura TH Reservatório Térmico a Temperatura TL QL QH W Motores Térmicos de Potência Motores Térmicas Motores T Motores Téérmicas rmicas BC1309Termodinâmica Aplicada Fonte Fonte Sumidouro Sumidouro Q QHH 100 kJ 100 kJ W Wllííqq 30kJ 30kJ W Wllííqq 20kJ 20kJ Q QHH 100 kJ 100 kJ Q QLL 80 kJ 80 kJ Q QLL 70 kJ 70 kJ ηη11 20 20 ηη22 30 30 1 2 EXEMPLO A potência no eixo do motor de um automóvel é 136 HP e a eficiência térmica do motor é igual a 30 Sabendo que a queima do combustível fornece 35000 kJkg ao motor determine a taxa de transferência de calor para o ambiente e a vazão massica de combustível consumido em kgsfonte exemplo 71 Van Wylen A potência no eixo em kW136 HPx07355 kWHP100 kW Utilizando a definição de eficiência kg s q Q m kW W Q Q Lei kW W Q H H H L H 0 0095 35000 333 233 333 100 1 333 30 100 0 η Refrigeradores e Bombas de Calor Refrigeradores e Bombas de Calor Refrigeradores e Bombas de Calor BC1309Termodinâmica Aplicada alta temperatura alta temperatura Fonte Fonte baixa temperatura baixa temperatura Sumidouro Sumidouro Q QHH Q QLL Refrigerador e Bomba de Calor Refrigerador e Bomba de Calor Refrigerador e Bomba de Calor BC1309Ana Maria Pereira Neto W Transferência de calor de um Transferência de calor de um meio a baixa temperatura para meio a baixa temperatura para um meio a alta temperatura um meio a alta temperatura Bombas de Calor Refrigeradores Ambiente quente Ambiente quente TTHHT TLL Espa Espaçço refrigerado o refrigerado TTLL Q QHH Q QLL Refrigerador Refrigerador Refrigerador BC1309Termodinâmica Aplicada W entrada entrada necess necessáária ria efeito efeito desejado desejado O coeficiente de desempenho de uma máquina térmica de refrigeração β produto insumo QL W Exemplo A potência Elétrica consumida no acionamento de um refrigerador domestico é 150 W e o equipamento transfere 400 W para o ambiente Determinar a taxa de transferência de calor no espaço refrigerado e o coeficiente de desempenho do refrigerador 1 67 150 250 250 150 400 W Q W W Q Q L or refrigerad H L β BC1309Termodinâmica Aplicada Bomba de Calor Bomba de Calor Bomba de Calor BC1309Termodinâmica Aplicada Espa Espaçço quente aquecido o quente aquecido TTHHT TLL Ambiente frio Ambiente frio TTLL Q QHH Q QLL W entrada entrada necess necessáária ria Sa Saíída da desejada desejada Coeficiente de desempenho ou eficácia de uma bomba de calor Ou aquecedor β produto insumo QH W Enunciados da 2ª Lei da Termodinâmica Enunciados da 2 Enunciados da 2ªª Lei da Lei da Termodinâmica Termodinâmica BC1309Termodinâmica Aplicada Enunciado de KelvinPlanck Enunciado de Enunciado de Kelvin KelvinPlanck Planck BC1309Termodinâmica Aplicada Enunciado de KelvinPlanck Enunciado de Enunciado de Kelvin KelvinPlanck Planck BC1309 Termodinâmica Aplicada Reservat Reservatóório de rio de Energia T Energia Téérmica rmica Q QH H 100 kW 100 kW W Wllííqq 100 kW 100 kW Q QL L 0 0 MT MT É imposs impossíível vel construir um dispositivo térmico que receba calor de uma fonte a alta temperatura e produza igual quantidade de trabalho Enunciado de Clausius Enunciado de Clausius Enunciado de Clausius BC1309Termodinâmica Aplicada Enunciado de Clausius Enunciado de Clausius Enunciado de Clausius BC1309Termodinâmica Aplicada alta temperatura alta temperatura Fonte Fonte baixa temperatura baixa temperatura Sumidouro Sumidouro Q QHH Q QLL É imposs impossíível vel construir um dispositivo térmico cujo único efeito seja a transferência de calor de um corpo a baixa temperatura para outro a temperatura mais alta Observações sobre a segunda lei Ambos enunciados são negações impossível provar A base da segunda lei é a evidência experimental Os dois enunciados são equivalentes A verdade de um implica na verdade de outro ou a violação de cada um implica na violação do outro A segunda lei implica na impossibilidade da construção da construção de um moto perpetuo de segunda espécie Um moto perpetuo de primeira espécie seria a maquina que cria trabalho do nadaviolação da 1º Lei ou criaria massa ou energiae um moto perpetuo de terceira espécie não teria atrito e assim operaria indefinitivamente porém não produziria trabalhoReversibilidade Motor Perpétuo de Segunda Espécie BC1309Termodinâmica Aplicada Processos Limitados pelas Leis da Termodinâmica Processos Reversíveis e Irreversíveis Processos Processos Revers Reversííveis e Irrevers veis e Irreversííveis veis BC1309Termodinâmica Aplicada O processo reversível para um sistema é definido como aquele que tendo ocorrido pode ser invertido e depois desta inversão não se notará nenhum vestígio no sistema e no meio ou vizinhança Processo Irreversível Exemplos Irreversibilidades Irreversibilidades Irreversibilidades BC1309Termodinâmica Aplicada Irreversibilidades Identificando Irreversibilidades Exemplos Ciclo Máquina Térmica Ciclo Ciclo M Mááquina T quina Téérmica rmica BC1309Termodinâmica Aplicada O O ciclo ciclo de uma m de uma mááquina t quina téérmica não pode ocorrer rmica não pode ocorrer sem a sem a rejei rejeiçção de alguma quantidade de calor ão de alguma quantidade de calor para para um sumidouro a baixa temperatura um sumidouro a baixa temperatura Ciclo Máquinas Térmicas Ciclo de Carnot Ciclo de Carnot Ciclo de Carnot BC1309Termodinâmica Aplicada Ciclo de Carnot Continuação Resumo do Ciclo de Carnot baseado num sistema cilindropistão BC1309Termodinâmica Aplicada Diagrama PV do Ciclo de Carnot Princípios de Carnot Eficiência Térmica Eficiência T Eficiência Téérmica rmica BC1309Termodinâmica Aplicada Ciclo de Carnot de Potência Ciclo de Carnot de Refrigeração Ciclo de Carnot Bomba de Calor Eficiência em função da Temperatura Eficiência em fun Eficiência em funçção da Temperatura ão da Temperatura BC1309Termodinâmica Aplicada Partindose dos corolários de Carnot podese concluir que todos os ciclos de potência reversíveis operando entre dois reservatórios térmicos terão a mesma eficiência independente do fluído de trabalho utilizado na máquina térmica Assim a eficiência está relacionada apenas com a natureza dos reservatórios Como é a diferença de temperatura entre os dois reservatórios que fornece a força motriz para as transferências de calor e o trabalho produzido concluíse que a eficiência de uma máquina térmica reversível depende da temperatura dos reservatórios térmicos com os quais troca calor L H rev L H T T Q Q Escala Termodinâmica de Temperatura A medida que a pressão de um gás tende a zero a sua equação de estado tende à equação de estado de um gás ideal PvRT Seja um termômetro a gás que utiliza volume constante então a altura L da coluna de Hg é uma indicação da temperatura Seja este termômetro usado no ponto de congelamento da água00C forneça uma pressão de 1109 kPa e no ponto de ebulição1000C 1515 kPa Qual é a Temperatura em Celsius quando P0 Da equação de um gs ideal PCT portanto PT15151109100 00406kPa0C T01109040627320C BC1309Termodinâmica Aplicada Demonstração que QHQLTHTL Ciclo de Carnot ln ln q e portanto o quoiciente q e ou portanto ln ln b e a Utilizando ln do 4 1adiabatico0 dIntegran ln ln 0 do 3 4isotérmico cIntegran ln do 2 3adiabatica0 bIntegran ln 0 do1 2isotérmica aIntegran Lei Primeira interna energia 4 3 1 2 L H 1 2 4 3 1 4 2 3 4 1 2 3 4 1 4 3 3 4 2 3 1 2 2 1 Q D C T T v v RT v v RT q q v v v v v v v v v v R v v R T dT c v v R T dT c v v RT v v RT q v v R T dT c v v RT q q v dv RT c dT w du q c dT du v dv RT w RT Pdv mas Pv w L H L H L H T T v T T v L L L T T v H H v v H L H L L H δ δ δ δ BC1309Termodinâmica Aplicada Eficiência em função da Temperatura Máquinas Térmicas Reais e Ideais Exercícios Exerc Exercíícios cios BC1309Termodinâmica Aplicada Exercícios Exerc Exercíícios cios BC1309Termodinâmica Aplicada 1 Calor é transferido de uma fornalha pra uma máquina térmica a uma taxa de 80 MW Se a taxa com qual calor é rejeitado para um rio próximo for de 50 MW determine a potência líquida produzida e a eficiência térmica da máquina térmica R 30 MW 0375 2 O compartimento de alimentos de um refrigerador é mantido a 4ºC por meio da remoção de calor a uma taxa de 360 kJmin Se a energia necessária for fornecida ao refrigerador a uma taxa de 2 kW determine a o coeficiente de performance do refrigerador b a taxa com a qual o calor é rejeitado na sala em que está instalado o refrigerador R a 3 b 8 kW Exercícios Exerc Exercíícios cios BC1309Termodinâmica Aplicada 3 Uma bomba de calor é utilizada para atender as necessidades de aquecimento de uma casa mantendose a 20ºC Nos dias em que a temperatura externa cai para 2ºC estimase que a perda de calor da casa a uma taxa de 80000 kJh Se a bomba de calor nessas condições possuir um coeficiente de desempenho de 25 determine a a potência consumida pela bomba de calor e b a taxa com que o calor é removido do ar frio externo R a 888 kW b 1333 kW 4 Uma máquina térmica de Carnot recebe 500 kJ de calor por ciclo de uma fonte a temperatura de 652 ºC e rejeita calor para um sumidouro a temperatura de 30ºC Determine a eficiência térmica dessa máquina de Carnot e b a quantidade de calor rejeitado para o sumidouro por ciclo R a 0672 b 1638 kW Exercícios Exerc Exercíícios cios BC1309Termodinâmica Aplicada 5 Uma bomba de calor deve ser usada para aquecer uma casa durante o inverno A casa deve ser mantida a 21ºC o tempo todo Supõese que a casa esteja perdendo calor a uma taxa de 135000 kJh quando a temperatura externa caia a 5ºC Determine a potência mínima necessária para operar essa bomba de calor R 332 kW 6 Uma máquina térmica opera entre um reservatório térmico a 550ºC e o ambiente 300 K A taxa de transferência de calor do reservatório de alta temperatura para a máquina é de 1 MW e a potência de acionamento da máquina ou seja a taxa de realização de trabalho é de 450 kW Calcule o valor da taxa de transferência de calor para o ambiente e determine a eficiência desta máquina Compare estes valores com os relativos a uma máquina térmica de Carnot que opera entre os mesmos reservatóriosR 550 kW eficiência de Carnot 06355 eficiência da máquina térmica 045