Sistema Termicos

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MÁQUINAS TÉRMICAS

Definição

Dispositivos ou máquinas que produzem trabalho a partir de calor em um processo cíclico. Como por exemplo, em uma planta de potência usando vapor na qual o fluido de trabalho (H2O) retorna periodicamente ao seu estado original.

Ciclo – é uma sequência de processos pelos quais o fluido de trabalho atravessa, constituído pelas etapas:

• Expansão
• Condensação (etapa isotérmica)
• Compressão
• Evaporação (etapa isotérmica) Ciclo Rankine de Potência a Vapor[pic 5]

Cada uma das etapas promove troca de energia com o ambiente na forma de calor ou trabalho.

A turbina, responsável pela expansão, desenvolve trabalho Wt ; o condensador remove calor do fluido de trabalho, QC ; a bomba, responsável pela compressão, absorve trabalho Wb e a caldeira, absorve calor QH. Estas quantidades estão presentes em todo ciclo de máquinas térmicas.

QH e QC são retirados e rejeitados para vizinhanças em reservatórios de calor.

Reservatórios de calor – são corpos supostamente capazes de absorver ou rejeitar uma quantidade infinita de calor sem variação de temperatura. Na operação, o fluido de trabalho em um ciclo térmico, absorve calor !! de um reservatório quente, produz trabalho  !!  , descarta calor  !!   para um reservatório frio e retorna ao seu estado inicial.[pic 6][pic 7][pic 8][pic 9][pic 10][pic 11]

Pela primeira lei da termodinâmica, o trabalho líquido desenvolvido por um ciclo é igual ao calor líquido adicionado:

! =  !! −  !![pic 12][pic 13][pic 14][pic 15][pic 16][pic 17]

Eficiência térmica da máquina – dedução importante da segunda lei:

!"#$#%ℎ! !"#$%&#'(        !![pic 18][pic 19][pic 20]

Como, pela primeira lei:

! = !! − !!,  então ! =

---

!!!!!

!!

---

! =

= 1 − !!

!!

---

!"#$% !"#$%&'($        = !

A eficiência térmica indica a extensão na qual o calor adicionado é convertido em trabalho extraído; deve ser menor do que 100%.

Isto é fácil verificar, porque !! não pode ser zero, isto violaria a segunda lei de acordo com o enunciado de Kelvin- Plank, então, ! < 1,0.

A máxima eficiência que pode ser obtida de um ciclo é a de Carnot, que usa a relação de Kelvin que diz que:

= !![pic 21][pic 22][pic 23]

!"#        !

então, !        , que seria a eficiência de um ciclo reversível seria: !        = 1 − !!

!á!        !á!        !!

---

(hipotético)

Na realidade então, para qualquer ciclo termodinâmico,  ! < !!á!

Ciclo de Carnot – é um ciclo de potência reversível operando entre dois reservatórios térmicos; o sistema executa uma sequência de quatro processos internamente reversíveis: dois adiabáticos e dois isotérmicos.

Então, se ! < 100% para um ciclo térmico, o que determinaria o limite superior de !?

A eficiência térmica de um ciclo térmico depende do nível de reversibilidade de suas operações. Um ciclo térmico operando de forma completamente reversível é chamado “Ciclo de Carnot”.

As etapas que formam um Ciclo de Carnot, envolvem:

• Um sistema inicialmente a TF sofre um aquecimento até TH por processo adiabático reversível e lá em contato com TH absorve uma quantidade de calor QH por um processo isotérmico reversível;
• O sistema é resfriado até TF por um processo adiabático reversível, e em contato com o reservatório frio, rejeita uma quantidade de calor, QC, por processo isotérmico reversível, voltando ao seu estado original.

O processo isotérmico aqui descrito indica transferência de calor entre temperaturas iguais do fluido e do reservatório.

Este efeito é válido para um Ciclo de Carnot.

Mas uma máquina operando em um ciclo diferente, deve, necessariamente transferir calor através de diferenças finitas de temperatura não nulas, logo, não pode ser reversível.

Entropia

Para uma máquina de Carnot, as relações entre !! e !! com !! e !! são escritas na forma:

=[pic 24][pic 25]

!!        !!

Tomando com relação ao fluido de trabalho, !! é positivo e !! é negativo, então, sem o módulo:

!! = − !! ⇒ !! + !! = 0[pic 26][pic 27][pic 28][pic 29]

!!        !!        !!        !!

assim, para um ciclo completo de uma máquina de Carnot, a soma das grandezas        tem que ser nula.[pic 30][pic 31]

Como o fluido retorna ao seu estado inicial e a relação variações em um ciclo é zero.