2 Lei da termo_1S2017

10/05/17
2° LEI DA TERMODINÂMICA
Profa. Me Danielle Cardoso
[email protected]
Introdução à Segunda Lei
1 Lei: Conservação de Energia:
Ø A Energia não pode ser criada e nem destruiída
durante um processo
1
10/05/17
Introdução à Segunda Lei
Transferir calor a um fio
não gerará eletricidade.
Uma xícara não se aquece
sozinha em uma sala fria
Processos
ocorr em
naturalmente
em
um a
determinad a dir eção, m as não
na direção oposta
Mão Única
Introdução à Segunda Lei
Muitos processos só ocorrem “espontaneamente” em determinados sentidos:
ü Calor é transferido sempre de um corpo a temperatura mais alta para outro a
temperatura mais baixa;
ü Ar pressurizado escapando de um reservatório;
ü A Segunda Lei da Termodinâmica, diferentemente da 1o Lei, não é uma lei de
conservação;
ü A Segunda Lei permite determinar qual a má xima eficiência de um ciclo
termodinâmico;
2
10/05/17
Reservatório de Energia Térmica
Reservatório Térmico → É um sistema idealizado, onde a temperatura
permanece constante mesmo que energia, na forma de calor, seja
adicionada ou removida;
Exemplos: atmosfera terrestre, oceanos, lagos, substâncias mudando de
fase, ...
Um reservatório que fornece energia na forma
de calor é chamado de FONTE, e um
reservatório que recebe energia na forma de
calor é chamado de SUMIDOURO.
Energia
Térmica
FONTE
Calor
Calor
Energia térmica
SUMIDOURO
Máquinas Térmicas
Máquina Térmica → É um dispositivo que opera em ciclo termodinâmico,
que retira calor de sua vizinhança (meio) e produz trabalho útil.
Característica de uma Máquina Térmica:
ü Recebe calor de uma fonte à alta temperatura;
ü Converter parte desse calor em trabalho;
ü Rejeita o restante do calor para um sumidouro à baixa temperatura;
ü Operam em ciclo.
3
10/05/17
Máquinas Térmicas
Qq
Qf
Qq
Qf
Máquinas Térmicas
T
q
Qq
Qf
Tf
4
10/05/17
Eficiência Térmica
Eficiência Térmica (η)→ É a fração de calor fornecido(Qq) convertida em
trabalho líquido (W) é uma medida de desempenho de uma máquina
térmica.
Eficienciatérmica =
Trabalholiquido
W
→ η = liq
Calorfornecido
Qq
Pela Primeira Lei da Termodinâmica:
Wliq = Qq − Q f
Então:
Q −Q
Q
η = q f → η =1− f
Qq
Qq
Onde: η é a eficiencia térmica
Qq é calor fornecido
Qf calor rejeitado
Eficiência
5
10/05/17
Enunciado de Kelvin-Planck
Tq
Qq =100 kJ
=100 kJ
Qf =0
Refrigeradores
ü Transferência de calor ocorre no sentido a alta temperatura para a mais
baixa temperatura;
ü Processo inverso não ocorre espontaneamente;
ü Transferência calor de um meio a baixa temperatura para um a alta
temperatura exige dispositivo especiais chamado refrigerador;
ü Assim como as máquinas térmicas, são dispositivos cíclicos;
ü O fluido de trabalho usado no ciclo de refrigeração é o refrigerante.
6
10/05/17
Refrigeradores
ü O ciclo de refrigeração por compressão de vapor;
ü Tem quatro componentes principais: compressor, condensador, válvula de
expansão e um evaporador;
ü O compressor comprime o refrigerante, fazendo com que ele se torne vapor
quente de alta pressão;
ü Este vapor quente (refrigerante) se resfria e condensa à medida que escoa
pelo condensador, rejeitando o calor;
Refrigeradores
ü O refrigerante escoa através de uma válvula de expansão e no processo ele
vaporiza para se tornarum refrigerante frio de baixa pressão;
ü O Refrigerante frio entra no evaporador, onde se evapora ao retirar calor do
espaço refrigerado.
7
10/05/17
Refrigeradores
Refrigeradores
ü A eficiencia de um refrigerador é expressa em termos do coeficiente de
perfomance (COPR);
COPR =
Q
Efeito.desejado
→ COPR = f
Trabalho.necessário
Wliq
Pela Primeira Lei da Termodinâmica:
W = Qq − Q f
Então:
Q
COPR = f
Qq −Q f
Onde:
Qq é calor rejeitado para o
ambiente quente à temperatura Tq.
Qf calor removido do espaço
refrigerado à temperatura Tf
8
10/05/17
Bomba de Calor
ü A eficiencia de uma bomba de calor é expressa em termos do coeficiente de
perfomance (COPBC);
COPBC =
Q
Saída.desejado
→ COPBC = q
Trabalho.necessário
Wliq
Pela Primeira Lei da Termodinâmica:
W = Qq − Q f
Então:
Onde:
Qq é calor rejeitado para o
ambiente quente à temperatura Tq.
Qf calor removido do ambiente frio
à temperatura Tf
Q
COPR = q
Qq −Q f
Enunciado de Clausius
Tq
Qq
Qf
Tf
9
10/05/17
Processos Reversíveis
ü O processo reversível é definido como um processo que pode ser revertido
sem deixar vestígio no ambiente. Eles são meras idelializações dos
processos reais;
Por que estuda-los então?
ü Primeiro, eles são mais fáceis de analisar.
ü Segundo, eles servem como modelos idealizados aos quais se podem
comparar processos reais
Processos Irreversíveis
ü No processo irreversível, a reversão do processo acarreta em uma mudança
no sistema.
Os fatores mais frequentes que levam um processo a se tornar irreversível são
chamados de irreversibilidades:
ü Transferência de calor com diferença finita de temperatura;
ü Expansão não resistida de um gás até uma pressão mais baixa;
ü Atrito (deslizamentoe /ou escorregamento).
10
10/05/17
Ciclo de Carnot
ü Ciclo Reversível mais conhecido é o ciclo de Carnot;
ü Opera em quatro processo reversíveis: dois isotérmicos e dois adiabáticos
1. Expansão isotérmica:
Temperatura do gás é Tq. Ocorre uma expansão lenta do
gás (↓T), mas calor é transferido do reservatório (Tq)
para o gás. Portanto, a temperatura é mantida constante.
2. Expansão adiabática:
O reservatório é substituído por um isolamento. Continua
o processo de expansão, até que sua temperatura caia
de Tq para Tf.
Ciclo de Carnot
3. Compressão isotérmica:
O isolamento é removido, o cilindro é colocado em contato com um
reservatório (Tf) e realiza-se uma compressão lenta do gás (↑T), mas calor é
transferido do gás para o reservatório. Portanto, a temperatura é mantida
constante.
4. Compressão adiabática:
O reservatório é substituído por um isolamento, o gás é comprimido de
maneira reversível, até que sua temperatura aumente de Tf para Tq, voltando
ao seu estado inicial.
11
10/05/17
Principios de Carnot
ü A eficiência térmica de qualquer motor irreversível é sempre menor
que a de um motor totalmente reversível operando entre os mesmos
dois reservatórios de calor.
ü As eficiências térmicas de dois motores totalmente reversíveis
operando entre os mesmos dois reservatórios térmicos são iguais.
Eficiência Térmica: Ciclo de Carnot
ü A eficiência de uma máquina de Carnot ou qualquer máquina térmica
reversível é:
ηrev =1−
Tf
Tq
ü Segundo os princípios de Carnot, considerando η
(eficiência de um ciclo motor real) e ηCarnot (eficiência
de um ciclo de Carnot), pode-se escrever:
12
10/05/17
A bomba de calor e o refrigerador de
Carnot
ü O coeficiente de perfomance de refrigerador de Carnot é dado por:
COPrev =
Tf
Tq − T f
ü O coeficiente de perfomance da bomba de calor de Carnot é
dado por:
COPrev =
Tq
Tq − T f
13