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Copyright (c) 2005 by John Wiley & Sons, Inc ThermoNet Thermodynamics: An Integrated Learning System P.S. Schmidt, O.A. Ezekoye, J.R. Howell and D.K. Baker.

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1 Copyright (c) 2005 by John Wiley & Sons, Inc ThermoNet Thermodynamics: An Integrated Learning System P.S. Schmidt, O.A. Ezekoye, J.R. Howell and D.K. Baker Revisão de Conceitos de Termodinâmica

2 Introdução Máquinas Térmicas Impossíveis Enunciado de Kelvin-Planck Revisão de Conceitos de Termodinâmica W THTH QHQH É impossível construir uma máquina térmica que opera num ciclo termodinâmico e não produza outros efeitos além trabalho e troca de calor com um único reservatório térmico. Pois, essa máquina converteria 100% do calor fornecido em trabalho.

3 Introdução Máquinas Térmicas Impossíveis Enunciado de Clausius Revisão de Conceitos de Termodinâmica É impossível construir uma máquina térmica que opera segundo um ciclo termodinâmico e que não produza outros efeitos além da transferência de calor de um corpo frio para um corpo quente. Pois é impossível construir um refrigerador que opere sem receber trabalho. W= 0 THTH TLTL QHQH QLQL

4 Introdução Máquina Térmica Configuração A Revisão de Conceitos de Termodinâmica É possível ? W Realizado THTH TLTL QHQH QLQL

5 Introdução Máquina Térmica Configuração A Revisão de Conceitos de Termodinâmica É impossível pois viola a primeira lei. W Realizado THTH TLTL QHQH QLQL

6 Introdução Máquina Térmica Configuração B Revisão de Conceitos de Termodinâmica É possível ? W Realizado THTH TLTL QHQH QLQL

7 Introdução Máquina Térmica Configuração B Revisão de Conceitos de Termodinâmica É possível pois não viola a primeira nem a segunda lei W Realizado THTH TLTL QHQH QLQL

8 Introdução Máquinas Térmicas Configuração C Revisão de Conceitos de Termodinâmica É possível ? W recebido THTH TLTL QHQH QLQL

9 Introdução Máquinas Térmicas Configuração C Revisão de Conceitos de Termodinâmica É possível pois não viola a primeira nem a segunda lei. As configurações B e C podem funcionar e são o reverso uma da outra, daí a expressão máquina térmica reversível. W recebido THTH TLTL QHQH QLQL

10 Introdução Trabalho e Calor Revisão de Termodinâmica Século XVIII: o homem descobriu como obter trabalho a partir de um fluxo de calor. A Máquina a Vapor (térmica) foi inventada: o calor liberado pela queima de carvão e madeira transformava água em vapor que então produzia trabalho. Bombeava a água das minas, movia trens e navios, tocava as fábricas, transportava cargas. Consequência: Revolução Industrial do século XIX. Questionava-se: como avaliar a quantidade máxima de trabalho que poderia ser obtida a partir de uma dada quantidade de combustível.

11 Introdução Trabalho e Calor Revisão de Termodinâmica Questionava-se: se uma locomotiva abastecida de carvão pode me levar daqui a SP, com uma máquina a vapor mais eficiente será que eu poderia fazer uma viagem maior ? Nicolas Léonard Sadi Carnot, um jovem engenheiro militar francês, resolveu o problema de se calcular o rendimento máximo de uma máquina térmica. Máquina Térmica: qualquer aparelho ou dispositivo para transformar calor em trabalho. Seu funcionamento está relacionado a três fatos: 1) Recebe calor de uma fonte quente à temperatura constante T1. 2) Rejeita calor para algo frio à uma temperatura T2. 3) Realiza (ou recebe) trabalho.

12 Introdução Teoremas provados por Carnot: Revisão de Termodinâmica 1) Todos os motores reversíveis operando entre as mesmas duas temperaturas T1 e T2, têm o mesmo rendimento. 2) Dos motores que operam entre as mesmas duas temperaturas, os reversíveis têm o maior rendimento. 3) Para a mesma temperatura T1 da fonte quente, o motor reversível que opera com maior ΔT tem maior rendimento e pode produzir mais trabalho. Vide Tipos de Máquinas Térmicas

13 Revisão de Termodinâmica O Ciclo de Carnot A máquina térmica que opera mais eficientemente entre um reservatório de alta temperatura e um reservatório de baixa temperatura é chamada máquina de Carnot. THTH 1 2 QHQH 1W21W2 Isolado 2 3 2W32W3 TLTL 3 4 QLQL 3W43W W14W1 Isolado Q = 0 T = cte P V Descrição da máquina de Carnot: É uma máquina ideal que utiliza somente processos reversíveis em seu ciclo de operação

14 Revisão de Termodinâmica O Ciclo de Carnot 1 2: Expansão isotérmica: O calor é fornecido ao fluido de forma reversível por um reservatório de alta temperatura a uma temperatura constante T H. O pistão no cilindro é movido e o volume aumenta. 2 3: Expansão adiabática reversível: O cilindro é completamente isolado, de modo que nenhuma transmissão de calor ocorra durante esse processo reversível. O pistão continua a ser movido com o volume aumentando. 3 4: Compressão Isotérmica: O calor é rejeitado pelo fluido de maneira reversível para um reservatório de temperatura baixa a uma temperatura constante T C. O pistão comprime o fluido com diminuição do volume. 4 1: Compressão adiabática reversível: O cilindro é completamente isolado, não permitindo nenhuma transmissão de calor durante esse processo reversível. O pistão continua a comprimir o fluido até este atinja o volume, a temperatura e a pressão originais, completando assim, o ciclo. EXERCÍCIOS

15 Revisão de Termodinâmica Rendimento de uma Máquina Reversível O trabalho realizado durante um processo pode ser expresso como: se o gás for perfeito, Lembrando que, e Desconsiderando as demais formas de energia, A primeira Lei pode ser reescrita da forma,

16 Revisão de Termodinâmica Rendimento de uma Máquina Reversível 1 2: Expansão isotérmica: 2 3: Expansão adiabática reversível: então, 3 4: Compressão Isotérmica: 4 1: Compressão adiabática reversível: então,

17 Revisão de Termodinâmica Rendimento de uma Máquina Reversível e Manipulando os resultados da expansão e compressão adiabática então Logo o rendimento será, Desta forma,

18 Revisão de Termodinâmica Rendimento de uma Máquina Reversível EC*- Um refrigerador está resfriando um espaço a -5 o C transferindo calor para a atmosfera que está a 20 o C. O objetivo é reduzir a temperatura do espaço para -25 o C. Calcule a percentagem mínima de aumento de trabalho necessário, assumindo um refrigerador de Carnot, para a mesma quantidade de calor removido. EC*- Um motor de Carnot opera entre duas fontes de temperaturas a 200 oC e 20 oC, respectivamente. Se o trabalho desejado for de 15 kJ, conforme a figura abaixo, determine a transmissão de calor do reservatório de alta temperatura e a transmissão de calor para o reservatório de baixa temperatura.


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