Maquinas termicas

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Máquinas Térmicas e Refrigeradores

Transformando calor em trabalho

Calor pode ser útil!
• O calor é o produto final de uma transformação energética
– Exemplos cotidianos (xícara de café, automóvel, bola de basquete) – O calor pode ser considerado um lixo: um produto inútil

• Algumas vezes, calor é o que queremos
– Água quente, cozinhando, aquecimento de ambiente

• O calor pode serforçado a fazer algo útil (e.g., trabalho mecânico)
– Isto é chamado “máquina térmica”

O conceito de uma máquina térmica
• Toda vez que existir uma diferença térmica entre dois corpos, existe um potencial para fluxo de calor • Exemplos:
– Calor flui para fora de um prato de sopa – Calor flui para dentro de um copo de cerveja – Calor flui da areia quente para o seu pé

• A velocidade dofluxo depende da natureza do contato e da condutividade térmica dos materiais • Como somos racionais, podemos canalizar parte deste fluxo para obtermos algum trabalho

Calor → Trabalho
• Alguns exemplos de trasformação de energia:
– O ar sobre o capô quente de um carro aquece, ganhando energia cinética – O mesmo ar sobe, ganhando energia potencial gravitacional – O vento é um produto dadiferença térmica – A geração de energia nas termoelétricas também devese a diferença de temperatura.

Máquinas a Vapor

Máquinas térmicas são comuns

- Em termoelétricas (carvão, nuclear, …) - in carros, aviões, barcos… - Em fábricas, em casa…

Esquema de uma planta de uma termoelétrica

Nomenclatura em uma máquina térmica
• Alguns símbolos importantes:
– – – – – – – – – – Thtemperatura do corpo quente (hot) Tc temperatura do corpo frio (cold) ∆T = Th–Tc diferença térmica qh quantidade de calor que flui do corpo quente qc quantidade de calor que flui para o corpo frio w é quantidade de trabalho mecânico útil ∆Sh variação de entropia no corpo quente ∆Sc variação de entropia no corpo frio ∆Stot variação de entropia total (sistema) ∆U variação total de energia no sistema Relembrando entropia…
• Entropia é uma propriedade diretamente dependente do grau de desordem no sistema:

Quanto trabalho pode ser extraido do calor??

Fonte quente de energia

Th qh Fluxo de calor da fonte quente Trabalho externo: w = qh – qc

Calor transferido para fonte fria “Lixeira” fria da energia

qc

Conservação de energia

Tc

w Eficiência = qh

trabalho efetuado

=calor absorvido

Aumentando a eficiência…

Podemos extrair grande quantidade de calor e passar muito pouco para a lixeira

Th qh

De fato, a única forma de ter 100% de eficiência é jogar zero de calor para a lixeira

w= qh – qc qc Tc w Eficiência = qh
trabalho feito

=

calor absorvido

Não tão simples…
• A segunda lei da termodinâmica impõe um obstáculo: a entropia total nãopode diminuir • A entropia da fonte quente diminui (calor é extraido), e a entropia da lixeira aumenta (calor é fornecido): remember that q = T∆S
– O ganho de entropia da lixeira deve, ao menos, balancear a perda de entropia da fonte quente

∆Stot = ∆Sh + ∆Sc = –qh/Th + qc/Tc = 0 qc = (Tc/Th)qh
estabelece um valor mínimo para qc

Não tão simples…
• A máquina opera num ciclo ∴ ∆U = 0 e |w| =qh - |qc| • Eficiência é dado por ε = |w| / qh ∴ ε = 1 - |qc| / qh

• |qc|>0 significa ε < 1

O que significa este limite entrópico?
• w = qh – qc, então o valor máximo de w está atrelado ao valor mínimo de qc : • wmax = qh – qc,min = qh – qh(Tc/Th) = qh(1 – Tc/Th) • A eficiência máxima, então, é:
Eficiência máxima = wmax/qh = (1 – Tc/Th) = (Th – Tc)/Th (esta fórmula só é valida se T for emKelvin)

• Então, eficiência de 100% só é possível se Tc for zero K • Se Tc → Th, a eficiência tende a zero: não pode ser extraído nenhum trabalho

Exemplos de Eficiência Máxima
• Uma fonte de combustão de carvão a 825 K libera energia a um reservatório frio a 300 K
– Eficiência máxima é (825 – 300)/825 = 525/825 = 64% – Esta máquina é termodinamicamente proibida de conseguir eficiência...
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