A termodinâmica é a parte da física que trata da transformação da energia térmica em energia mecânica e vice-versa. Seus princípios dizem respeito a alguns sistemas bem definidos, normalmente uma quantidade de matéria. Um sistema termodinâmico é aquele que pode interagir com a sua vizinhança, pelo menos de duas maneiras. Uma delas é, necessariamente, transferência de calor.
3.4.1 - 1ª. Lei da Termodinâmica
A Primeira Lei da Termodinâmica, também conhecida como Princípio de Conservação de Energia, pode ser descrita como “a soma da energia mecânica e da quantidade de calor (que é igual à energia total) de um sistema isolado é constante”. Nesse caso, a energia total do sistema inicial é igual à energia do sistema final, qualquer que seja o caminho seguido pelo sistema para passar do estado inicial ao final. A energia total do sistema é função do estado deste e não do caminho seguido pelo mesmo para chegar a esse estado (ABREU, 2003).
A definição da Primeira Lei diz que, para um dado ciclo percorrido por um sistema, a integral cíclica do calor é igual a integral cíclica do trabalho, conforme apresentado na Equação 4. Portanto, o calor líquido transferido durante um ciclo deve ser igual ao trabalho líquido realizado (VAN WYLEN et al, 1999).
(4)
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= integral cíclica do calor. = integral cíclica do trabalho.
Temos que a variação da energia interna entre dois estados do sistema pode ser determinada pela diferença entre as quantidades de calor e de trabalho trocados com o meio ambiente. Matematicamente, essa lei pode ser escrita conforme a Equação 5.
(5)
Onde:
dU = variação da energia interna entre dois estados do sistema;
dQ = quantidade de calor recebida ou cedida pelo sistema;
dW = quantidade de trabalho realizado pelo sistema.
Desta forma, a eficiência de Primeira Lei de um processo de conversão de energia é dada pela razão da energia útil pela energia total consumida, conforme a Equação 6. O conceito de Primeira Lei da Termodinâmica é extremamente útil para se poder avaliar e melhorar a eficiência energética de equipamentos de usos finais, (VAN WYLEN et al, 1999).
(6)
Onde:
1= Rendimento da primeira lei da termodinâmica
3.4.2 - 2ª Lei da Termodinâmica
A Segunda Lei não contraria a lei da conservação da energia, Porém, ela estabelece que a energia perde a sua capacidade de realizar trabalho durante os processos de conversão, uma vez que nem todo calor transferido de um corpo pode ser transformado em trabalho. Portanto, é
impossível haver um processo cujo único resultado seja tomar calor de um sistema e convertê-lo em trabalho, pois nenhuma máquina térmica que toma calor Q1 a T1 e que entrega calor Q2 a T2
pode efetuar mais trabalho (W) que uma máquina térmica reversível. Alguma energia é sempre perdida por dissipação para uma região de menor temperatura, causando a chamada irreversibilidade STRAPASSON, 2004).
Em geral, se diz que a eficiência é a razão entre o que é produzido (energia pretendida) e o que é usado (energia gasta), porém estas quantidades devem ser claramente definidas. Simplificadamente pode-se dizer que a energia pretendida num motor térmico é o trabalho e a energia gasta é o calor transferido da fonte a alta temperatura. A eficiência térmica, ou rendimento térmico, é definida pela equação 7, conforme VAN WILEN et al (1999).
(7)
Onde: =
T
η rendimento térmico total
= L Q calor de saída = H Q calor de entrada
Deste enunciado, conclui-se que é impossível uma máquina térmica ter rendimento de 100 %, pois pela definição de rendimento térmico, o rendimento seria 100% se QL = 0 (ou seja,
se houvesse apenas uma fonte de calor) ou se QH fosse infinito. Assim, uma máquina térmica
tem que operar entre dois reservatórios térmicos - recebendo calor, rejeitando uma parte do calor e realizando trabalho.
No gerador termoelétrico, o calor é transferido de um corpo a alta temperatura para a junção quente (QH) e da junção fria para o meio (QL). O trabalho é realizado na forma de energia elétrica. Geralmente não é considerado como um dispositivo que opera segundo um ciclo pois não existe fluido de trabalho. O estado em cada ponto do gerador termoelétrico não varia ao longo do tempo, já que o mesmo opera em regime permanente.
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3.4.3 - Relação entre energia e exergia
A análise termodinâmica de um sistema pode ocorrer valendo-se dos conceitos da 1ª Lei da Termodinâmica, conhecido como avaliação energética, ou através do conhecimento do uso combinado dos conceitos das 1ª e 2ª Leis da Termodinâmica, denominado avaliação exergética. Ambas as avaliações buscam, por diferentes caminhos, a redução das perdas ou, consequentemente, uma otimização dos processos; acredita-se, porém, que a avaliação exergética leva a resultados mais exatos e identifica com mais clareza, dentro de cada sistema, os equipamentos menos eficientes termodinamicamente.
Pode se definir a exergia como “a parte transformável da energia, e a energia como a parte intransformável” e, “a exergia, de uma forma geral, é a capacidade de um tipo de energia ser convertido em outros tipos” (ABREU, 2003).
O objetivo principal da análise exergética é detectar e avaliar quantitativamente as causas da imperfeição termodinâmica do processo sob consideração, permitindo localizar os pontos onde ocorrem as destruições de exergia e classificá-las segundo a magnitude das perdas (ABREU, 2003).
Exergia não é só um parâmetro de avaliação termodinâmica mas, também, de otimização. Um processo é termodinamicamente ideal se a exergia se conserva; consequentemente, perda de exergia ou irreversibilidade, como é denominada, significa distanciamento do ideal e do ótimo. Implica não exatamente na análise pela conservação de energia (1ª Lei), mas pelo grau de destruição de exergia (1ª e 2ª Lei, juntas). Vem daí que, num determinado processo, o objetivo técnico-econômico não é o de se determinar as “perdas” de energia (até porque energia não se perde) mas as perdas ou destruição de exergia (e esta, sim, se perde, isto é, perda de exergia = irreversibilidade).
No projeto de um novo sistema que envolva geração ou uso de energia, o método exergético fornecerá informações sobre a melhor seleção dos componentes do projeto e sobre o
melhor procedimento de operação. Essas informações poderão ser expressas com base no custo inicial ou operacional das instalações, conservação de energia, versatilidade de uso de combustíveis e poluição.
A exergia é definida como a máxima quantidade de trabalho reversível que pode ser obtida por um fluido, e é dada pela Equação 8 (VAN WYLEN et al, 199).
) ( ) (h−h0 −T0 s−s0 = ψ (8) Onde: = Exergia h = Entalpia
h0 = Entalpia do gás nas condições de referência
S = Entropia
S0 = Entropia do gás nas condições de referência
To = Temperatura do gás nas condições de referência
A variação de exergia é obtida pela Equação 9 (VAN WYLEN et al, 1999).
W T T Q m me e − s s − − − = ∆ ⋅ ⋅ ⋅ 0 1 ψ ψ ψ (9) Onde: = variação de exergia [kJ/kg]
e = vazão mássica do fluido na entrada [kg/s] s= vazão mássica do fluido na saída [kg/s]
Q = Energia do sistema [KJ]
To = Temperatura inicial [K] T = Temperatura final [K] W = Trabalho [J]
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Os dois primeiros termos são os somatórios (balanços) de exergia nas entradas e saídas dos componentes. O terceiro termo é a exergia do calor Q que é transferido a uma temperatura constante T. A exergia do calor é igual ao trabalho obtido por um motor de Carnot operando entre T e T0. O último termo é o trabalho mecânico transferido para o sistema ou pelo
sistema. Considerando que o sistema não realiza trabalho, os dois últimos termos são iguais a zero.
Adotou-se a temperatura ambiente de 28 ºC e a pressão de 101,3 kPa, para as condições de referência.