Slide - Ciclos Térmicos - 2024-1

Revisão: Ciclos térmicos Prof. Dr. Renato Belli Strozi rstrozi@unicamp.br LE504 - TERMODINÂMICA II Bibliografia 2 Material Complementar: https://www.youtube.com/watch?v=6Tj68AKvwnM https://www.youtube.com/watch?v=NaHfPop1HFM Moran e Shapiro: Tema de estudo: Cap. 5 (Carnot) Conceitos prévios fundamentais: Cap. 1 - 4 Observações • Formulário para acesso aos ebooks: https://forms.gle/BjqxvbeaVG94N4pm8 Em caso de dúvidas: Ana Luiza C. de A. Valério, Bibliotecária • Acordo pedagógico: Plano de desenvolvimento da disciplina 3 Conceitos fundamentais • Compreender o conceito de eficiência em ciclos térmicos. • Relacionar processos termodinâmicos com representações em diagramas p-v e T-S; 4 Revisão 5 • Sistema(s): - Objeto(s) em análise; Ele pode ser tão simples como um corpo livre ou tão complexo como uma refinaria química inteira. – Sistemas fechados e/ou volumes de controle. Revisão 6 • Sistema(s): Sistema fechado: – Quantidade fixa de matéria: não pode ocorrer fluxo de massa através de suas fronteiras. Um gás em um conjunto cilindro-pistão? Sistema fechado Figura adaptada: Borgnakke e Sonntag (2018) Revisão 7 • Sistema(s): Volume de controle: – É uma região do espaço escolhida para análise, dentro da qual ocorrem interações de massa e energia com o ambiente externo. Compressor de ar? Volume de controle Figura adaptada: Borgnakke e Sonntag (2018) Revisão 8 • Propriedade de substâncias Características macroscópicas que definem um sistema. Propriedade Intensivas Não dependem da quantidade de matéria do sistema. Permanecem constantes independentemente do tamanho ou quantidade de substância presente. Ex: Temperatura, pressão, densidade, viscosidade e ponto de fusão. Propriedade Extensivas Dependem da quantidade de matéria do sistema. São proporcionais à extensão ou quantidade de matéria. Ex: Massa, volume, energia interna, entropia. Revisão 9 • Estado da substância Se refere às condições do sistema como descritas por suas propriedades. Sólido Líquido Revisão 10 • Equilíbrio – Propriedade observada é a mesma para todas as regiões dentro do sistema; – Equilíbrio térmico, químico e termodinâmico. • Processo – Mudança de pelo menos 1 propriedade do sistema; – Mudança de estado; – Caminho definido pela mudança de estados 11 Revisão Diagrama p-T (H2O) Figura adaptada, Dutra (2019) 1 2 Ciclo de Carnot 12 • Máquina térmica É um sistema físico que recebe energia por algum processo envolvendo recepção de energia, e utiliza parte dessa energia para realizar trabalho útil. Material Complementar: https://www.youtube.com/watch?v=6Tj68AKvwnM https://www.youtube.com/watch?v=NaHfPop1HFM Ciclo de Carnot • Máquina térmica 13 Pela 2ª Lei: Δ𝑆 ≥ 0 A entropia do universo sempre aumenta Porém, sem o reservatório frio: Δ𝑆 = 𝑄𝑞 𝑇𝑞 < 0 (violaria a 2ª Lei.) Assim, é necessário que a entropia recebida pelo sistema seja “despejada” em algum lugar para satisfazer a 2ª Lei, o reservatório frio. Ciclo de Carnot • Máquina térmica 14 Assim, reescrevendo a 1ª Lei: 𝑄𝑞 = 𝑊 + 𝑄𝑓 Ciclo de Carnot 15 • Máquina térmica Uma das principais motivações no estudo de máq. térmicas é avaliar a máxima eficiência. O que é eficiência? η = 𝑏𝑒𝑛𝑒𝑓í𝑐𝑖𝑜 𝑐𝑢𝑠𝑡𝑜 = 𝑊 𝑄 Ciclo de Carnot 16 • Eficiência térmica (motores térmicos): η = 𝑏𝑒𝑛𝑒𝑓í𝑐𝑖𝑜 𝑐𝑢𝑠𝑡𝑜 = 𝑊 𝑄 η = 𝑊𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑄𝑞 = 𝑄𝑞 − 𝑄𝑓 𝑄𝑓 η = 1 − 𝑄𝑓 𝑄𝑞 Ciclo de Carnot 17 • Eficiência térmica (motores térmicos): Δ𝑆 ≥ − 𝑄𝑞 𝑇𝑞 + 𝑄𝑓 𝑇𝑓 ≥ 0 → 𝑄𝑓 𝑄𝑞 ≥ 𝑇𝑓 𝑇𝑞 Mas, η = 1 − 𝑄𝑓 𝑄𝑞 Logo: η ≤ 1 − 𝑇𝑓 𝑇𝑞 variação de entropia Ciclo de Carnot 18 • Máquina térmica O que o conceito de eficiência nos diz? Nenhuma máquina térmica tem eficiência de 100%. • Para tal, 𝑇𝑓 = 0 (Zero absoluto - Kelvin) • Além disso, maior eficiência é alcançada se a diferença entre 𝑇𝑞 e 𝑇𝑓 aumenta. Ciclo de Carnot 19 • Carnot Sadi Carnot estava interessado em conceber o ciclo térmico mais eficiente possível. Como fazer isso? É necessário minimizar a geração de entropia entre os processos. Ciclo de Carnot 20 • O Ciclo de Carnot: Processos Figura Adaptada: Moran e Shapiro (2018) 1-2: O conjunto é colocado em contato com o reservatório a 𝑇𝑞 , ou seja, há troca de calor. O gás se expande isotermicamente enquanto recebe a energia 𝑄𝑞 do reservatório quente por transferência de calor. Ciclo de Carnot 21 • O Ciclo de Carnot: Processos Figura Adaptada: Moran e Shapiro (2018) 2-3: O conjunto é colocado sobre o apoio isolado e o gás continua a se expandir adiabaticamente (isoentrópico) até a temperatura cair para 𝑇𝑓. Ciclo de Carnot 22 • O Ciclo de Carnot: Processos Figura Adaptada: Moran e Shapiro (2018) 3-4: O conjunto é colocado em contato com o reservatório (troca de calor) a 𝑇𝑓 . O gás é comprimido isotermicamente até o seu estado inicial enquanto descarrega a energia 𝑄𝑓 para o reservatório frio por transferência de calor. Ciclo de Carnot 23 • O Ciclo de Carnot: Processos Figura Adaptada: Moran e Shapiro (2018) 4-1: o gás é comprimido adiabaticamente (isoentrópico) até o estado 1, no qual a temperatura é 𝑇𝑞. Ciclo de Carnot 24 • O Ciclo de Carnot: Diagramas p-v e T-S What’s next? • Ciclos de potência: Fluidos com mudança de fase 25 Atividade Semanal Atividade Semanal 1: Data da entrega: 12/03/2024 Individual, escrita à mão em folha de papel Moran e Shapiro, 2018. PROBLEMAS: DESENVOLVENDO HABILIDADES PARA ENGENHARIA – Exercício 5.24 Durante o mês de janeiro, em certa localidade no Alasca, ocorrem ventos de –30°C. No entanto, vários metros abaixo do solo a temperatura permanece em 13°C. Um inventor afirma ter desenvolvido um ciclo de potência entre essas temperaturas com uma eficiência térmica de 5%. Avalie essa afirmativa. Resposta: A afirmação do engenheiro é válida. A eficiência calculada é menor ou igual a 15%, o que é coerente com a eficiência proposta. Importante: Não se esqueça de esboçar diagramas, demonstrar os cálculos e fazer comentários sempre que necessário. Utilize o exercício como se estivesse estudando para recordar no futuro. 26