UNIVERSIDADE DE FORTALEZA – UNIFOR CONFORTO TÉRMICO E O CICLO DE CARNOT: A IMPORTANCIA NO ENSINO DA TERMODINÂMICA. Autores: Einstein Maia do Amaral, Neuryane Pereira dos Santos. RESUMO Uma condição para se obter conforto térmico é que o corpo esteja em equilíbrio térmico, ou seja, a quantidade de calor ganho deve ser igual à quantidade de calor cedido para o ambiente. Condição necessária, mas não suficiente para que haja o tal conforto térmico. Isso pode ser explicado pela eficiência do sistema termorregulador, que consegue manter o equilíbrio térmico do organismo numa ampla faixa de combinações das variações pessoais e ambientais. Assim, o conforto térmico num determinado ambiente pode ser definido como a sensação de bem estar experimentada por uma pessoa, como resultado de uma combinação satisfatória neste ambiente com suas variáveis ambientais, tais como a temperatura radiante média, a umidade relativa do ar, a temperatura e velocidade do vento com a atividade desenvolvida e ainda, a vestimenta utilizada (Ruas, 2001). A partir do estudo da termodinâmica, entende-se que energia pode ser transferida através de interações entre um sistema e sua vizinhança. Essas interações incluem a transferência de energia por calor e trabalho, assim como a transferência de energia associada com escoamento de massa. A termodinâmica lida com os estados inicial e final que delimitam processos durante os quais as interações ocorrem e também com as quantidades líquidas de transferência de energia por calor e trabalho para os processos. A energia, uma vez que existe, não pode ser aniquilada, pode somente mudar de forma, eis o Princípio de Conservação da Energia correspondente à 1ª Lei da Termodinâmica. Palavras – chave: Conforto térmico, Termodinâmica, Ciclo de Carnot. Universidade de Fortaleza – UNIFOR. Rodrigo Alves Patrício: Coordenador monitoria CCT. Email: [email protected] Einstein Maia do Amaral: Professor. Email: [email protected] Neuryane Pereira dos Santos: Aluna e Monitora. Email: [email protected] SUMÁRIO Resumo ................................................................................................................... 1 Conforto térmico ....................................................................................................... 3 Primeira Lei da Termodinâmica Energia dos Ciclos ....................................................................................................... 5 Segunda Lei da Termodinâmica Ciclo de Carnot ............................................................................... 4 ............................................................................... 6 ....................................................................................................... 7 Temperatura ................................................................................................................... 9 Mudança de Estado ....................................................................................................... 10 Anexo .............................................................................................................................. 12 Referências ................................................................................................................... 14 2 CONFORTO TÉRMICO Segundo a definição da American Society of Heating, Refrigerating and AirConditioning Engineers, Inc. (ASHRAE) – Standart 55 – 92: “Conforto Térmico é a condição da mente que expressa a satisfação com o meio térmico”. Segundo Fanger (1970): “a Neutralidade térmica é a condição de que uma pessoa não prefira nem mais ‘calor’ e nem mais ‘frio’ no ambiente ao seu redor”. A busca frequente deste conforto térmico entre as pessoas está relacionada com o funcionamento do organismo humano, um mecanismo complexo, que seu funcionamento possa ser comparado a de uma máquina térmica que produz calor conforme sua atividade. O ser humano precisa liberar calor, em quantidade suficiente, para que sua temperatura interna se mantenha em torno de 37°C (homeotermia). Quando as trocas de calor entre o corpo humano e o ambiente ocorrem sem muito esforço (processo espontâneo), a sensação térmica do indivíduo é o de ter alcançado o conforto térmico e a sua capacidade de trabalho chega a ser máxima (se compararmos com o ciclo motor, entende-se por máxima eficiência térmica). Contudo, se as condições térmicas ambientais causam sensações de frio ou de calor é porque o organismo está perdendo mais ou menos calor necessário (Frota e Schiffer, 2003), e a homeotermia atua pra manter a temperatura corporal constante. Os estudos sobre conforto térmico visam analisar e tentar estabelecer as condições necessárias para a avaliação e a concepção de um ambiente termicamente adequado às atividades e ocupações humanas, bem como encontrar e estabelecer alguns métodos e princípios para uma detalhada análise térmica de um ambiente. A satisfação do homem ou o seu bem-estar em se sentir termicamente confortável, o desempenho reduzido do ser humano que possivelmente possa estar relacionado ao desconforto causado por calor ou frio e a conservação de energia são tópicos a serem considerados para o conforto térmico, pois devido à crescente mecanização e industrialização da sociedade, as pessoas passam grande parte do tempo em ambientes refrigerados artificialmente e tudo isso pode ser um dos grandes motivos para seguir estudo relacionado ao conforto térmico. Podendo levar em consideração algumas variáveis ambientais tais como a temperatura, os ventos, a umidade do ar e radiação solar. Alguns destes fatores mencionados para a sensação de conforto térmico corporal e análise ambiental térmica adequada para a realização das atividades (as atividades intelectuais, manuais e perceptivas, geralmente apresentam um melhor rendimento quando 3 realizadas em conforto térmico) serão detalhados baseados nos princípios e corolários da Termodinâmica, enfatizando a primeira e segunda lei da termodinâmica e seus ciclos, com maior importância no ciclo de Carnot. Com objetivo de determinar as condições de conforto ou de desconforto térmico em ambientes reais junto com o desempenho de atividades rotineiras, alguns tópicos foram desenvolvidos baseados no estudo de Termodinâmica, na temperatura, no equilíbrio Térmico, condução, convecção, radiação, evaporação e condensação e outros. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA Tendo noção básica do que seja a energia e que já lidamos com ela, uma ideologia simples é que a energia pode ser armazenada nos sistemas sob várias formas, também pode ser convertida de uma forma à outra e transferida entre os sistemas. Para os sistemas fechados, a energia pode ser transferida por trabalho e por transferência de calor. A quantidade total de energia é conservada em todas as transformações e transferências. E será feita uma tentativa de relação entre os sistemas e sua vizinhança com o organismo humano e o meio externo com intuito de entender a sensação térmica. Na mecânica, quando um corpo ao se deslocar de uma posição a outra e sofre a ação de uma força resultante, o trabalho dessa força é encontrado fazendo-se o produto escalar do vetor força pelo vetor deslocamento do corpo ao longo dessa trajetória. Este trabalho pode ser considerado como uma transferência de energia para o corpo, onde ela é armazenada como energia potencial gravitacional e/ou energia cinética. A partir daqui, entender que a energia é conservada, fará um momento importante e facilitador para seguir a análise em engenharia. Para a engenharia termodinâmica, os conceitos de energia cinética, energia potencial gravitacional e a conservação de energia são ampliados para levar em conta outras variações de energia, como a energia interna do sistema, e inclui-las para que os sistemas façam interações com sua vizinhança, isso com observação experimental. Até então, as interações entre o sistema e sua vizinhança foi exemplificado como trabalho. No entanto, sistemas fechados também podem interagir com suas vizinhanças, de uma maneira que não pode ser categorizada como trabalho, mas essa interação será chamada de transferência de energia por calor. Em bases experimentais, é sabido que as transferências de energia por calor são induzidas apenas como um resultado de uma diferença de temperatura entre o sistema e sua vizinhança e que elas ocorrem apenas na direção do 4 decréscimo de temperatura. A partir daqui, o leitor terá que referenciar quem será o sistema e sua vizinhança. Exemplificando, se o corpo humano for o sistema, sua vizinhança será tudo externo ao corpo, se o sistema for um ambiente fechado, sua vizinhança será tudo externo ao ambiente fechado. Assim, será mais claro uma notação para a sensação térmica em questão. Assim, o primeiro passo em uma análise termodinâmica é definir o sistema. Somente após a fronteira do sistema ter sido especificada e entendida é que possíveis interações de calor e vizinhança podem ser consideradas, pois estão sempre avaliadas na fronteira deste sistema. Entendendo-se calor como energia em conceito termodinâmico, pois a energia que é transferida e armazenada, não o calor. ENERGIA DOS CICLOS Quando um sistema em um dado estado inicial passa por uma sequência de processos e finalmente retorna a esse estado, o sistema executou um ciclo termodinâmico. Tanto a primeira quanto à segunda lei da termodinâmica têm origem nos estudos dos ciclos. Portanto, os ciclos serão considerados sob ponto de vista do princípio da conservação de energia. O balanço de energia para um sistema qualquer submetido a um ciclo termodinâmico assume forma onde a variação de energia é igual diferença entre as quantidades líquidas da transferência de energia por calor do ciclo e a transferência de energia por trabalho realizado pelo ciclo. O sistema retornando a sua condição inicial após o ciclo, não haverá essa variação líquida em sua energia. Logo, a variação de energia será nula e consequentemente, as parcelas das transferências de energia por calor e trabalho serão iguais, expressando assim uma equação para o princípio de conservação de energia e que deve satisfazer por todo o ciclo termodinâmico. De modo grosseiro, pode-se comparar o corpo humano como ciclo motor e o ambiente, um lugar para o ciclo de refrigeração e bombas de calor. Tomando cuidado nos referenciais para entrar numa análise e prosseguir os processos entre o sistema e sua vizinhança. É aconselhável que escolha antes, um sistema por vez. Nos ciclos motor, de refrigeração e bomba de calor, em cada caso, os sistemas passam por um ciclo enquanto se comunica termicamente com dois corpos, um quente e outro frio. Esses corpos estão localizados na vizinhança do sistema que percorre o ciclo e que há também uma quantidade líquida de energia trocada com a vizinhança sob a forma de trabalho. 5 Os sistemas que passam por ciclos que fornecem uma transferência líquida de energia sob a forma de trabalho para sua vizinhança são denominados ciclo motor. Ou seja, a saída líquida de trabalho é igual à transferência líquida de calor para o ciclo. Para este ciclo, ainda pode-se obter uma eficiência térmica como razão de uma 𝑄𝑠𝑎í𝑑𝑎 extensão da conversão de energia de calor para trabalho. Veja na equação: 𝜂 = 1 − 𝑄 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 . Uma vez que a energia é conservada, a eficiência térmica jamais poderá ser maior do que a unidade ou 100%. Para os outros ciclos, a energia que entra no sistema é transferida por calor submetido a um ciclo a partir do corpo frio e a energia descarregada a partir do sistema para o corpo quente e feita por transferência de calor. Para realizar essas trocas de calor é necessário um trabalho líquido de entrada no sistema. Esses ciclos de refrigeração e bomba de calor tem mesma forma de descrição, mas objetivos diferentes. O objetivo do ciclo de refrigeração é resfriar um espaço ou manter a temperatura no interior de uma residência, ou de um prédio, ou outros, mas levando em consideração que a temperatura tem que se manter abaixo da temperatura ambiente. O objetivo da bomba de calor é manter a temperatura no interior de uma residência, ou de uma construção, ou outro meio, acima da temperatura da vizinhança ou fornecer aquecimento para certos processos industriais que ocorrem a temperaturas elevadas. Até o momento, pode-se entender com mais precisão a sensação térmica a ser atingida por uma pessoa, fazendo uma analogia aos argumentos mencionados. SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA Para os processos espontâneos, existe uma direção definida. E para retornar ao estado inicial mesmo alcançando as suas condições, o sentido inverso da direção espontânea não ocorre com a mesma espontaneidade, precisando assim de um auxilio. Percebe-se que nem todos os processos consistentes com o princípio da conservação de energia podem ocorrer. Dai surge um princípio de orientação útil a ser seguido, fornecido pela segunda lei da termodinâmica. Com a segunda lei, será fornecido meios para determinar o máximo trabalho teórico e permitir que haja avaliação quantitativa dos fatores que impedem de se obter este máximo. A segunda lei da termodinâmica e as deduções a partir dela são úteis por fornecer meios para: 1 – previsão da direção dos processos; 6 2 – estabelecimento das condições de equilíbrio; 3 – determinação do melhor desempenho teórico dos ciclos, motores e outros equipamentos; 4 – avaliação quantitativa dos fatores que impedem a obtenção do melhor nível de desempenho teórico; 5 – definir uma escala de temperatura independente das propriedades de qualquer substância termométrica; 6 – desenvolver meios para a avaliação das propriedades tais como a energia interna (u) e a entalpia (h) em função das propriedades que são mais fáceis de obter experimentalmente. Tais pontos relatados podem ser vistos como aspectos da segunda lei da termodinâmica, todas dependentes e relacionadas. Importante ressaltar, que cada processo em que uma consequência da segunda lei tenha sido testada direta ou indiretamente através de experimentos, ela foi infalivelmente confirmada. Assim, a base da segunda lei da termodinâmica é a evidência experimental. CICLO DE CARNOT O ciclo de Carnot fornece um exemplo específico de um ciclo de potência reversível operando entre dois reservatórios térmicos. O sistema que executa o ciclo sofre uma série de quatro processos internamente reversíveis: dois processos adiabáticos alternados com dois processos isotérmicos. Obviamente que o leitor não irá comparar diretamente ou facilmente o corpo humano como uma máquina a vapor, mas com o meio ou máquina que execute o ciclo de potência, será mais fácil. Num motor a vapor visto na figura 1, há quatro elementos a serem observados para os processos adiabáticos e isotérmicos. Ver figura 1 no anexo. À medida que a água escoa através da caldeira, ocorre uma mudança de fase de líquido para vapor a uma temperatura constante TH como resultado da transferência de calor a partir de um reservatório quente. A pressão também permanece constante. O vapor se expande adiabaticamente ao sair da caldeira através da turbina e é desenvolvido trabalho. A temperatura cai para temperatura TC do reservatório frio e há um decréscimo correspondente na pressão. À medida que o vapor passa através do condensador, uma transferência de calor 7 para o reservatório frio ocorre e parte do vapor se condensa a uma temperatura constante T C. A temperatura permanece constante novamente, assim como a pressão também, à medida que a água passa através do condensador. A bomba ou compressor recebe uma mistura bifásica líquido-vapor do condensador e a retorna adiabaticamente para o estado da entrada da caldeira. Durante este processo, que exige um trabalho de entrada para elevar a pressão, a temperatura aumenta de TC para TH. Para qualquer outro processo, independente do tipo de dispositivo ou do fluido de trabalho realizado, o ciclo de Carnot sempre possuirá os mesmos quatro processos internamente reversíveis: dois processos adiabáticos alternados com dois processos isotérmicos. Se um ciclo de potência de Carnot for operado na direção oposta, as magnitudes de todas as transferências de energia permanecem as mesmas, porém as transferências de energia estarão opostamente direcionadas. Tal ciclo poderá ser considerado um ciclo de refrigeração ou bomba de calor. A eficiência térmica deve ser menor do que 100% e deve ser aplicada a todos os ciclos de potência independentes dos seus detalhes de operação. Considerando isto como um corolário da segunda lei, há também outro, o Corolário de Carnot: como nenhum ciclo de potência pode possuir uma eficiência térmica de 100% é preciso investigar a eficiência teórica máxima para sistemas submetidos a ciclos de potência operando entre dois reservatórios a diferentes temperaturas. Mencionando dois corolários de Carnot: 1 – a eficiência térmica de um ciclo de potência irreversível é sempre menor do que a eficiência térmica de um ciclo de potência reversível quando operando entre os mesmos reservatórios térmicos; 2 – todos os ciclos de potência reversíveis operando entre os mesmos reservatórios térmicos possuem a mesma eficiência térmica. A escala termodinâmica de temperatura denominada escala Kelvin é definida tal que a razão entre duas temperaturas seja a mesma razão das transferências de calor absorvido e rejeitado, respectivamente, por um sistema percorrendo m ciclo reversível operando entre dois 𝑄 reservatórios a essas temperaturas. Veja na equação: (𝑄 𝐶 ) 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 𝑟𝑒𝑣𝑒𝑟𝑠í𝑣𝑒𝑖𝑠 = 𝐻 𝑄𝑠𝑎í𝑑𝑎 Substituindo na equação 𝜂 = 1 − 𝑄 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑇𝐶 𝑇𝐻 . , resultará uma expressão para a eficiência térmica de um sistema que percorre um ciclo de potência reversível operando entre dois 8 𝑇 reservatórios a temperaturas TH e TC: 𝜂𝑚á𝑥 = 1 − 𝑇 𝐶 , que é conhecida como eficiência de 𝐻 Carnot. Importante que o leitor consiga interpretar e ampliar sua visão para tantos conceitos e aplicações para tais ciclos e associar as necessidades em questão. TEMPERATURA Quando dois sistemas estão em equilíbrio térmico, dizemos que têm a mesma temperatura. Reciprocamente, a temperatura é a propriedade dos sistemas que permanece constante quando eles estão em equilíbrio térmico. Por exemplo, suponha que os dois sistemas sejam gases que inicialmente tenham diferentes temperaturas, pressões e volumes. Se os colocarmos em contato e esperarmos tempo suficiente para que atinjam equilíbrio térmico, em geral nem as pressões nem os volumes serão iguais, mas suas temperaturas serão sempre iguais. A noção de temperatura só pode ser introduzida na termodinâmica através deste raciocínio baseado em equilíbrio térmico. Apesar de a temperatura ter um significado usual que nos é familiar, é necessário darlhe um significado preciso para ter valor como medida científica. Nossa noção intuitiva de temperatura não é confiável; por exemplo, suponha que você esteja dentro de casa, sentado uma cadeira que tem partes de pano, madeira e metal. Toque as várias partes de decida qual é a “mais fria”, isto é, qual está à temperatura mais baixa. Provavelmente você irá concluir que as partes de metal são mais frias. Entretanto, esperamos que a cadeira, estando há muito tempo no interior da casa, tenha entrado em equilíbrio térmico como o ar e, portanto, esteja toda ela à mesma temperatura que o ar. De fato, o que você está verificando, quando toca a parte de metal, não é apenas a temperatura, mas também a capacidade dessa parte de remover calor da sua mão que, presumivelmente, está a uma temperatura mais alta. Sua mão neste caso dá uma medida subjetiva de temperatura, que é incorreta. Além, disso, este julgamento mudará com o tempo que sua mão e o metal se aproximam do equilíbrio térmico um com o outro. Existe uma grandeza escalar chamada temperatura, que é uma propriedade de todos os sistemas termodinâmicos em equilíbrio térmico. Dois sistemas estão em equilíbrio térmico se e somente se suas temperaturas são iguais. Esta definição da Lei zero-ésima, define o conceito de temperatura como sendo a propriedade macroscópica de um sistema que será igual à de outro quando estiverem em 9 equilíbrio térmico. Ela nos permite construir e utilizar termômetros para medir a temperatura de um sistema, porque sabemos que um termômetro em contato térmico com um sistema atingirá com ele uma temperatura comum. Abrangendo conhecimento envolvendo diferenças de temperatura, para calcular a transferência de energia sob forma de calor, alguns métodos são baseados por experimentos. Alguns processos de transferência de calor são realizados por condução, convecção e radiação. A condução se refere à transferência de energia através de um meio na qual existe uma diferença de temperatura. A convecção se refere à transferência de energia entre uma superfície e um fluido em movimento ou em repouso com temperaturas diferentes. E a radiação térmica representa a troca líquida de energia entre superfícies a diferentes temperaturas por meio de ondas eletromagnéticas independentes de qualquer meio interveniente. MUDANÇA DE ESTADO O estudo das mudanças de estado desempenha um papel importante no entendimento dos fatores que determinam o conforto térmico. Na figura 2 é apresentado um esquema mostrando a terminologia básica usada para as mudanças ou transformações de estado. O caso que mais importa diretamente são as mudanças líquido – gás (vapor) e gás – líquido, isto é, evaporação e condensação respectivamente. Ver figura 2 no anexo. Outra maneira e mais interessante de se descrever as mudanças de estado, ou mudanças de fase, são os diagramas de fase (figura 3). São gráficos que mostram o comportamento da equação de estado de uma dada substância, indicando em que domínios de pressão, volume e temperatura os diferentes estados da matéria podem ser encontrados. A equação de estado de uma substância pura é descrita matematicamente através da relação encontrada entre a pressão (p), volume (V) e temperatura (T): f(p, V, T) = 0. Se considerar uma interface água - ar atmosférico, algumas moléculas estão continuamente voltando para o espaço acima e algumas estão retornando para a superfície. Quanto mais quente for a água mais moléculas libertam-se da sua superfície. Deste modo a taxa de escape das moléculas da superfície líquida depende da temperatura, ou seja, a quantidade de água que pode ser evaporada dependerá da temperatura. Naturalmente, o ar atmosférico não é confinado a um só espaço de modo que ele dificilmente se torna saturado com vapor de água, mesmo a pouca altura acima de uma grande 10 quantidade de água. Ou seja, na maioria das vezes a pressão de vapor de água na atmosfera é menor do que a pressão de vapor saturada. Uma forma de se avaliar o estado do ar atmosférico quanto à quantidade de vapor de água em face ao estado saturado é a umidade do ar dada pela relação: UR = (PVAPOR / PVAPOR SATURADO) * 100. Um dos fatores importantes para o controle da intensidade da evaporação é a umidade relativa. Quanto mais afastado da saturação estiver o ar, ou seja, quanto mais seco estiver o ar, maior a evaporação. O papel do vento no aumento da intensidade da evaporação é válido. Quando o vento sopra sobre a lâmina de água ajuda a remover as camadas de ar em contato direto com a água. Se não houver vento, essas camadas tendem a ficar saturadas em relação às camadas vizinhas uma vez que a única forma de homogeneização do vapor produzido é por difusão molecular. Esse processo lento acaba por retardar a evaporação. Com o vento as camadas de contato com a lâmina de água são mecanicamente removidas permitindo a renovação por ar mais seco. Da mesma forma reconhecemos a função desse mesmo processo quando consideramos a ação refrescante do vento no corpo molhado ou suado, por aumentar a intensidade da evaporação e a consequente perda corporal de calor, o calor de evaporação (sensação causada pelo Conforto térmico). Ao longo do dia, a pressão de vapor tende em geral a se manter inalterada. A umidade relativa do ar tende a mudar ao longo do dia em função do ciclo diurno de aquecimento pela radiação solar alterando a pressão de vapor saturado com a temperatura. Ao contrário, a mudança repentina da pressão de vapor é em geral uma boa indicação da entrada de uma nova massa de ar. 11 ANEXO: Figura 1. Ciclo de Carnot de motor a vapor e diagrama p-v executado pela circulação de água em regime permanente. http://slideplayer.com.br/slide/1848278/. Acesso: 27/ 04/ 016. Curso de Termodinâmica Aplicada. O Ciclo de Carnot em um sistema com mudança de fase. Slide 6. Figura 2. Mudanças de estado físico. http://pt.slideshare.net/LaraTavares/aulas-04-e05-as-mudanas-de-estado-fsico-1-ano. Acesso: 27 / 04 / 2016. Aulas 4 e 5 As mudanças de estado físico – 1º ano. Slide 4. 12 Figura 3. Gráfico tridimensional qualitativo mostrando a superfície f(p, V, T) = 0 (equação de estado) para a substância água. Gráfico Superfície p-v-T da água. Capítulo 4. Livro Introdução à Engenharia de sistemas térmicos: termodinâmica, Mecânica dos fluidos e Transferência de calor. MORAN, M. J.; SHAPIRO, H.N.; MUNSON, B.R.; DEWITT . Acesso: 10 / 04 / 2016. 13 REFERÊNCIAS: BEJAN, Adrian. Transferência de Calor. Tradução de Euryclides de Jesus Zerbini; Richard Santilli Ekman Simoes. São Paulo: Edgard Blucher, 1996. INCROPERA, Frank P. Fundamentos de transferência de calor e de massa. Colaboração de David P Dewitt. 4.ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 1998. LIMA, E. C.; AMORIM, H. S. Conforto térmico como proposta de contextualização para o ensino de termodinâmica. Universidade Federal do Rio de Janeiro. Instituto de Física. Pós graduação em ensino de Física. Rio de Janeiro. 2012. MORAN, M. J.; SHAPIRO, H.N.; MUNSON, B.R.; DEWITT, D.P. Introdução à engenharia de sistemas térmicos: termodinâmica, mecânica dos fluidos e transferência de calor. Rio de Janeiro: LTC, 2005. OZISIK, M. Necati. Transferência de Calor: Um texto básico. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1990. RESNICK, R; HALLIDAY, D; KRANE, K. Física 2. 4.ed. Rio de Janeiro: LTC S.A., 1996. 14