O objetivo deste livro é apresentar um tratamento introdutório da termodinâmica e promover a compreensão de suas leis e aplicações de maneira simples. A Unidade 1 apresenta as definições básicas e a Unidade 2 introduz o desenvolvimento da primeira lei aplicada a processos estáticos e fluxo estacionário. A Unidade 3 considera o comportamento dos fluidos em função da pressão, do volume e da temperatura, possibilitando a aplicação da primeira lei a problemas práticos importantes.
Por isso, com uma escolha adequada de unidades e secções, pode ser utilizado em cursos de vários tipos, de níveis menos ou mais avançados. Esperamos que este livro ajude o leitor a compreender a termodinâmica e suas aplicações na vida cotidiana.
Introdução
O estado de um sistema é identificado através de quantidades que podem ser observadas quantitativamente, tais como: volume, temperatura, densidade, etc. Estado: refere-se ao estado termodinâmico de um sistema caracterizado por certas propriedades macroscópicas observáveis. Quando uma ou mais propriedades de um sistema mudam, dizemos que ocorreu uma mudança de estado.
Chamamos o processo de caminho percorrido pelo pistão do estado 1 ao estado 2, que é composto por um conjunto de estados consecutivos do estado 1 ao estado 2. Assim, ao final de um ciclo, as propriedades do sistema recuperam os valores. eles tiveram na primeira volta.
Primeira Lei da Termodinâmica
O procedimento a adotar nesta unidade consiste no desenvolvimento de equações para aplicação do princípio da conservação da energia a sistemas fechados e abertos. Uma forma mais geral de conservação de energia envolve os efeitos da transferência de calor e mudanças na energia interna, que é chamada de Primeira Lei da Termodinâmica. A ideia básica aqui é que a energia pode ser armazenada dentro de um sistema, transformada de uma forma de energia para outra e transferida entre sistemas.
Joule poderia então estabelecer a relação entre o trabalho e a quantidade de energia transferida na forma de calor. Deve-se notar que o trabalho se manifesta na fronteira do sistema, é uma forma de energia em trânsito e não pode ser armazenada no sistema. Calor é definido como a forma de energia que é transferida através de uma fronteira de um sistema a uma determinada temperatura para outro sistema ou meio a uma temperatura mais baixa devido a uma diferença de temperatura entre os dois sistemas – ou entre o sistema e o meio externo.
Durante muito tempo, o calor permaneceu um efeito separado que não tinha sido reconhecido como uma forma de energia em trânsito. Muitas vezes, a conversão de energia de uma forma para outra e a transferência de energia de um lugar para outro ocorre através dos mecanismos de troca de calor e trabalho. A energia interna inclui todas as formas de energia do sistema e está associada ao estado termodinâmico.
Muitas vezes é vantajoso usar a equação da primeira lei em termos de fluxo de energia, expressando a taxa média ou instantânea de energia que excede o limite do sistema. Dividindo a equação 2.28 por Δt, obtemos a taxa média de energia envolvida no processo para cada uma das formas presentes. Calor é a transferência de energia entre o sistema e o ambiente apenas devido à diferença entre as temperaturas do sistema e do ambiente.
A primeira lei da termodinâmica, ou lei da conservação da energia, relaciona a interação de trabalho e calor que ocorre em um processo a uma mudança na energia total de um sistema, que consiste em energia interna, cinética e potencial. Pode existir em diferentes fases: sólida, líquida e gasosa, dependendo do seu nível de energia.
A Segunda Lei da Termodinâmica
A segunda lei não proíbe a produção de trabalho a partir do calor, mas estabelece um limite para a fração de calor que pode ser convertida em trabalho em qualquer processo cíclico. Decorre do estudo dos motores térmicos, que são dispositivos ou máquinas que produzem trabalho a partir do calor em um processo cíclico. A eficiência de conversão de calor em trabalho em um motor reversível deve depender apenas das temperaturas Tf e Tq, mas não do fluido de trabalho do motor.
O dispositivo da Figura 4.3 representa um resfriador que troca calor entre uma fonte fria e uma fonte quente durante o trabalho no sistema. Um reservatório em alta temperatura é chamado de fonte de calor ou fonte quente; um reservatório em baixa temperatura é chamado de fonte fria. Exemplo 4.1: Calcule a eficiência térmica da planta a vapor mostrada na Figura 4.4 com os seguintes dados:.
Portanto, de acordo com a segunda lei da termodinâmica, não pode haver nenhum dispositivo que opere num ciclo termodinâmico e não produza outro efeito além da transferência de calor de uma fonte fria para uma fonte quente. Para que o dispositivo retire energia na forma de calor de uma fonte fria e a entregue a uma fonte quente, é necessário realizar trabalho. Esta máquina térmica opera de forma totalmente reversível, entre um acumulador de calor de alta temperatura e um acumulador de calor de baixa temperatura.
Depois há a compressão isotérmica, onde uma quantidade de calor Qf é rejeitada a uma temperatura constante Tf. Exemplo 4.4: Uma máquina térmica cíclica é usada para transferir calor de um reservatório de alta temperatura para um reservatório de baixa temperatura, conforme mostrado na Figura 4.12. Uma máquina térmica produz trabalho através da transferência de calor de um dissipador de calor em alta temperatura, e sua operação é limitada pela afirmação de Kelvin-Planck.
Entropia
Esta unidade começa com uma discussão sobre a desigualdade de Clausius, que é a base para a definição de entropia. A seguir, consideraremos as mudanças de entropia que ocorrem durante processos envolvendo substâncias puras, gases ideais e processos isentrópicos. Portanto, o objetivo desta unidade é: aplicar a segunda lei da termodinâmica aos processos; definir entropia para quantificar os efeitos da segunda lei; estabelecer o princípio do aumento da entropia; calcular as variações de entropia que ocorrem em processos com substâncias puras e gases ideais;
Agora considere um ciclo de uma máquina térmica irreversível operando entre as mesmas temperaturas Tq e Tf que a máquina reversível da Figura 5-1 e transferindo a mesma quantidade de calor Qq. A propriedade é chamada de entropia (S) e suas variações diferenciais podem ser definidas da seguinte forma: onde St é a entropia total, e não molar, do sistema. Vale ressaltar que a variação da entropia entre os estados 1 e 2 do diagrama p-v da Figura 5-5 é a mesma para qualquer processo reversível, e pode ser calculada pela relação:
Como a entropia é uma função de estado, as mudanças de entropia em processos reversíveis e irreversíveis são iguais. O trabalho reversível de um processo que vai de (p1, T1) a (p2, T2) pode ser realizado de diversas maneiras. A importância da mudança de entropia para um processo irreversível pode ser ampliada com a introdução do conceito de trabalho perdido, Wperd.
Considere os sistemas a) eb), apresentados na Figura 5.15, que passam por dois processos distintos, nos quais se assume que há transferência de calor do ambiente para o sistema, e que a temperatura final é igual à inicial. Seria possível instalar uma turbina (ver Figura 5.16) com gerador elétrico para recuperar parte de toda essa energia disponível que atualmente está sendo desperdiçada. Esta desigualdade expressa o princípio do aumento → entropia do universo que pode ser considerado como uma afirmação quantitativa geral da Segunda Lei da Termodinâmica.
Termodinâmica dos processos de escoamento
Agora vamos utilizá-lo no volume de controle, ou seja, em processos de fluxo, em sistemas abertos. A equação de continuidade expressa a lei de conservação da massa de fluidos em escoamento e é escrita de forma que possa ser aplicada a um volume de controle. O volume de controle é geralmente arbitrário e está localizado dentro de uma superfície de controle permeável à passagem de matéria.
Assim, o volume de controle é fixo em suas entradas e saídas e não possui deslocamentos líquidos. Num processo de fluxo constante, a energia interna total do volume de controle, mu, é constante e, portanto, d(mu) é zero. Quando há apenas uma entrada e uma saída no volume de controle, a vazão mássica m deve ser a mesma em ambas as correntes, então temos:.
O termo de acumulação é a taxa de variação com o tempo da entropia total do fluido contido no volume de controle d(ms)/dt. Um aumento na entropia reflete irreversibilidades dentro do volume de controle, ou seja, irreversibilidades internas. O trabalho do eixo, dado pela equação 6.11, é numericamente o máximo que pode ser obtido a partir de uma turbina adiabática com condições de entrada especificadas juntamente com a pressão de descarga.
Num processo de compressão, o trabalho isentrópico, conforme dado pela Equação 6.11, é o trabalho mínimo no eixo necessário para comprimir um gás de um determinado estado inicial até uma determinada pressão de descarga. Os processos termodinâmicos que ocorrem em um volume de controle podem ser classificados em processos de estado estacionário e de fluxo transitório. Quando ocorre em estado estacionário, as quantidades de massa e energia dentro do volume de controle permanecem constantes.
Ciclos termodinâmicos
Para o ciclo de Carnot, a eficiência depende apenas da temperatura da fonte de calor e da baixa temperatura do dissipador de calor, ou:. Na Figura 7.2, a área cinza corresponde em valor absoluto ao fluxo de calor proveniente da fonte fria. Na figura 7.3 podemos ver no diagrama T-s um ciclo de Carnot operando com um fluido real, por exemplo a substância água no estado líquido e vapor.
O problema operacional do ciclo de Carnot é operar uma turbina com uma mistura de líquido e vapor. O ciclo Rankine é o modelo ideal para usinas termelétricas a vapor utilizadas na produção de energia. A eficiência do ciclo Rankine é melhor comparada ao ciclo de Carnot no diagrama T-s, conforme mostrado na Figura 7.5:.
A eficiência estaria mais próxima do ciclo de Carnot se pudéssemos usar o ciclo da Figura 7.6:. Para chegar ainda mais perto do ciclo de Carnot e evitar as temperaturas extremamente altas no ponto 5', vamos fazer um ciclo com reaquecimento. A Figura 7.14 compara os ciclos Otto e Diesel para taxas de compressão iguais e diferentes.
Uma turbina numa central estacionária - ciclo Rankine - é mais eficiente, em termos de atrito, do que um motor alternativo. Quando uma quantidade líquida de trabalho é produzida em um ciclo, chamamos isso de ciclo de potência. O ciclo de Carnot não é o mais adequado para ciclos de potência a vapor porque não pode ser aproximado na prática.
