Luísa Rosenstock Vö[email protected]
Joinville, 2017.1
Centro de Ciências Tecnológicas.Licenciatura em Química.
Máquinas Térmicas
Introdução.
Essa aula tem como objetivo ensinar os alunosdo curso de licenciatura em química sobre ostemas de máquinas térmicas e ciclo de Carnot,como parte do estágio em docência, disciplinaobrigatória no Mestrado Acadêmico deEngenharia Mecânica da UDESC.
Máquinas Térmicas.
Conceitos:
“Uma máquina térmica converte parte da energiamolecular aleatória do fluxo de calor em energiamecânica macroscópica.” [Fonte: LEVINE, Ira N. Físico-química.Vol 1].
“A máquina térmica é um dispositivo que transforma aenergia interna de um combustível em energiamecânica. Também pode ser definida como odispositivo capaz de converter calor em trabalho”. [Fonte:http://www.if.ufrgs.br]
Máquinas Térmicas.
Fonte: Wikipedia
I d.C
1679
1760
1765
Heron de Alexandria: Eolípila
Denis Papin (Marmita de Papin)
Revolução Industrial
James Watt
Cronologia:
1804 Richard Trevithick
Fonte: Wikipedia
1698 Thomas Savery
1712 Thomas Newcomen
Máquinas Térmicas.Cálculo da Eficiência (ɛ):
Eq. (3.9)[Fonte: ATKINS. Físico-Química. Vol1]
Da Primeira Lei da Termodinâmica: ΔU = 0 = 𝑄𝑡 +𝑊
ɛ=𝒕𝒓𝒂𝒃𝒂𝒍𝒉𝒐 𝒆𝒇𝒆𝒕𝒖𝒂𝒅𝒐
𝒄𝒂𝒍𝒐𝒓 𝒂𝒃𝒔𝒐𝒓𝒗𝒊𝒅𝒐
−𝑊 = (𝑄𝑞 + 𝑄𝑓)
ɛ=|𝑊|
𝑄𝑞=
𝑄𝑞+ 𝑄𝑓
𝑄𝑞
ɛ= 1+ 𝑸𝒇
𝑸𝒒
(Para 𝑸𝒇 < 0)
Máquinas Térmicas.Exemplos:
Fonte: http://aula-historia-revolucionindustrial.wikispaces.com/La+m%C3%A1quina+de+vapor
Ciclo de Carnot.
Nicolas Léonard Sadi Carnot (1824).
Fonte: Wikipedia
Um Ciclo de Carnot é definido como umciclo reversível que consiste em duasetapas isotérmicas em diferentestemperaturas e duas etapas adiabáticas[Fonte: LEVINE, IRA. Físico-Química. Vol1]
Máquina de Carnot é uma máquina térmica idealque apresenta rendimento máximo. Uma máquinade Carnot é o procedimento mais eficazpara produzir trabalho a partir de doisreservatórios térmicos.
Ciclo de Carnot.Cálculo da Eficiência de uma Máquina de Carnot:
A variação total de entropia no ciclo é: 𝑑𝑆 =𝑞ℎ
𝑇ℎ+
𝑞𝑐
𝑇𝑐
Para um gás perfeito temos: 𝑞ℎ = 𝑛𝑅𝑇ℎ𝑙𝑛𝑉𝐵
𝑉𝐴𝑒 𝑞𝑐= 𝑛𝑅𝑇𝑐𝑙𝑛
𝑉𝐷
𝑉𝐶
Pela relação entre a temperatura e o volume em processos adiabáticos reversíveis: 𝑉𝐴𝑇ℎ = 𝑉𝐷𝑇𝑐 e 𝑉𝐶𝑇𝑐 = 𝑉𝐵𝑇ℎ
𝑉𝐴𝑉𝐵
=𝑉𝐷𝑉𝐶 Substituindo em (𝑞𝑐):
𝑞ℎ𝑞𝑐
=𝑛𝑅𝑇ℎln( 𝑉𝐵 𝑉𝐴)
−𝑛𝑅𝑇𝑐ln( 𝑉𝐵 𝑉𝐴)= −
𝑇ℎ𝑇𝑐
ɛ𝒓𝒆𝒗= 1-𝑻𝒄
𝑻𝒉
Eq. (3.10)[Fonte: ATKINS. Físico-Química. Vol1]
Exemplos Propostos.
1) Uma máquina térmica opera segundo o ciclo de Carnot entre
as temperaturas de 500K e 300K, recebendo 2 000J de calor da
fonte quente. O calor rejeitado para a fonte fria e o trabalho
realizado pela máquina, em joules, são?
2) Uma planta que gera potência, com capacidade nominal de
800.000 kW, produz vapor d'água a 585 K e descarrega calor
para um rio a 295 K. Se a eficiência térmica da planta é 70% do
valor máximo possível, que quantidade de calor é descarregada
para o rio na operação com a capacidade nominal?
Máquinas Térmicas e Ciclo de Carnot.
1) Existe alguma máquina térmicaque seja mais eficiente que amáquina de Carnot?
2) A máquina de Carnot podeapresentar 100% de eficiência?
3) É possível ter uma máquinatérmica que transfira calor deuma fonte fria para uma fontequente?
Referências: LEVINE. Ira N. Físico-química. Vol 1. 6ª Ed. 2012. LTC.
ATKINS, Peter. PAULA, Julio de, Físico-Química. Vol 1. 8ª Ed.LTC.
SMITH. J.M. Introdução á termodinâmica da engenhariaquímica. 7ª Ed. LTC.
https://www.realsimple.com
http://www.if.ufrgs.br