TERMODINÂMICA I SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA ANÁLISE DE ENERGIA PARA VOLUME DE CONTROLE

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Universidade Federal de Itajubá Instituto de Engenharia Mecânica

TERMODINÂMICA I

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA ANÁLISE DE ENERGIA PARA VOLUME

DE CONTROLE

Profa. Dra. Lucilene de Oliveira Rodrigues

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TÓPICOS DA APRESENTAÇÃO

PROCESSOS ESPONTÂNEOS; 2ª. LEI DA TERMODINÂMICA;

CONCEITOS;

CICLOS;

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2ª. LEI DA TERMODINÂMICA

Processos Espontâneos

Um objeto a uma temperatura Ti, colocado com o ar atmosférico à temperatura T0 se resfriaria até atingir a temperatura da vizinhança de dimensões bem maiores. A energia interna do corpo cai e da vizinhança aumenta. O inverso não ocorre espontaneamente.

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O ar mantido a pressão pi em um tanque fechado escoaria espontaneamente para as vizinhanças a uma pressão mais baixa po se a válvula fosse aberta. O inverso não ocorre espontaneamente.

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A massa suspensa por um cabo a uma altura zi cairia quando liberada. Quando atingisse o repouso, a energia potencial da massa na sua condição inicial se transformaria em um aumento na energia interna da massa e das suas vizinhanças. O inverso não ocorre espontaneamente.

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Ou seja, nem todo processo consistente com o princípio da conservação da energia pode acontecer. O balanço de energia por si só não permite indicar a direção preferencial nem distinguir os processo que podem ocorrer daqueles não podem. Daí, a necessidade da introdução da Segunda Lei da Termodinâmica.

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Nos processos espontâneos mostrados, pode-se desenvolver trabalho a medida que o equilíbrio é atingido. Por exemplo, enquanto o corpo esfria espontaneamente, a energia através da transferência de calor poderia ser fornecida a um sistema percorrendo um ciclo de potência que desenvolveria uma quantidade de trabalho líquido.

Quando existe desequilíbrio entre dois sistemas existe uma possibilidade de desenvolvimento de trabalho.

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A segunda Lei da termodinâmica fornece meios para: -Prever a direção dos processos; -Estabelecer condições para o equilíbrio; -Determinar o melhor desempenho teórico de ciclos, motores e outros dispositivos; -Avaliar quantitativamente os fatores que impedem a obtenção do melhor nível de desempenho teórico

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Enunciados da 2ª Lei CLAUSIUS: É impossível para qualquer sistema operar de tal modo que o único resultado seria a transferência de energia por calor de um corpo frio para um corpo quente espontaneamente.

No caso de refrigeradores e bombas, deve haver outro efeito dentro do sistema que transfere calor, na sua vizinhança, ou em ambos.

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Enunciados da 2ª Lei

KELVIN-PLANCK Reservatório térmico: é um sistema que sempre permanece à temperatura constante mesmo que seja adicionado ou removido energia através da transferência de calor. (Idealização)

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Enunciados da 2ª Lei KELVIN-PLANCK: É impossível para um sistema operar em um ciclo termodinâmico e entregar um trabalho líquido para a sua vizinhança enquanto recebe energia por calor de um único reservatório térmico.

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Conceitos Reservatório Térmico: é um tipo de sistema fechado que sempre mantém a temperatura constante mesmo que a energia seja adicionada ou removida por transferência de calor.

Máquina Térmica: é um dispositivo térmico que opera segundo um ciclo termodinâmico.

Processo Irreversível: um processo é chamado de irreversível se o sistema e todas as partes de sua vizinhança não puderem ser exatamente restaurados aos seus respectivos estados iniciais depois do processo ter ocorrido.

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Conceitos Normalmente um processo pode incluir uma ou mais das seguintes irreversibilidades: Atrito; Troca de calor com diferença finita de temperatura; Mistura de duas substâncias diferentes; Reações químicas espontâneas; Corrente elétrica passando através de uma

resistência; Deformação inelástica; Outras.

Todos os processos reais são irreversíveis

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Conceitos

Processo Reversível: um processo é chamado de reversível se o sistema e toda a vizinhança puderem ser exatamente restaurados aos seus respectivos estados iniciais depois do processo ter ocorrido.

Processo Internamente Reversível: um sistema é dito ter realizado um processo internamente reversível se nada é realizado dentro do sistema para fazê-lo irreversível; não há irreversibilidades internas. Na vizinhança pode ter irreversibilidades.

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Aplicando a Segunda Lei a Ciclos Termodinâmicos

Ciclo de potência interagindo com dois reservatórios

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Ciclo de potência interagindo com dois reservatórios

H

c

H

ciclo

QQ

QW

−== 1ηCHciclo QQW −=Como

0=CQSe %100=η Viola o enunciado de kelvin Planck

Então, para um ciclo de potência operando entre dois reservatórios, somente uma parcela de QH é convertida em trabalho e o restante, Qc, tem que ser descarregada por calor para o reservatório frio.

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Corolários de Carnot

• A eficiência térmica de um ciclo de potência irreversível é sempre menor que a eficiência térmica de um ciclo de potência reversível quando cada um opera entre os mesmos dois reservatórios térmicos.

• Todos os ciclos de potência reversíveis operando entre os mesmos reservatórios térmicos possuem a mesma eficiência térmica.

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cH

c

ciclo

c

QQQ

WQ

−==β

Ciclo de refrigeração e bomba de calor interagindo com dois reservatórios

Coeficiente de desempenho para Ciclo de refrigeração

cH

H

ciclo

H

QQQ

WQ

−==γ

Coeficiente de desempenho para bomba de calor

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0=cicloWSe

Então, para um ciclo de refrigeração e bomba, o sistema retiraria energia Qc do reservatório frio e forneceria energia Qc ao reservatório quente. Viola o enunciado de Clausius

Ciclo de refrigeração e bomba de calor interagindo com dois reservatórios

O coeficiente de desempenho tenderia ao infinito

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Corolários de ciclo de refrigeração e bomba de calor

• O coeficiente de desempenho de um ciclo de refrigeração (bomba de calor) irreversível é sempre menor que o coeficiente de desempenho um ciclo de refrigeração (bomba de calor) reversível quando cada um opera entre os mesmos dois reservatórios térmicos.

• Todos os ciclos de refrigeração (bomba de calor) reversíveis operando entre os mesmos reservatórios térmicos possuem o mesmo coeficiente de desempenho.

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Definindo a escala de temperatura de Kelvin

H

C

ciclorevH

C

TT

QQ

=

A eficiência teórica máxima para ciclos de potência e para os coeficientes de desempenho teóricos máximos para ciclos de refrigeração e bomba de calor, podem ser definidos utilizando a escala de temperatura de Kelvin.

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Medidas de desempenho máximo para ciclos operando entre dois reservatórios

H

C

TT

−=1maxη

Ciclos de potência

Eficiência de Carnot

Se maxηη =

maxηη <

maxηη >

Ciclo reversível

Ciclo Irreversível

Ciclo impossível

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Medidas de desempenho máximo para ciclos operando entre dois reservatórios

CH

C

TTT−

=maxβ

Ciclos de refrigeração e bomba de calor

CH

H

TTT−

=maxγ

Se maxmax ,, γβγβ =

maxmax ,, γβγβ <

maxmax ,, γβγβ >

Ciclo reversível

Ciclo Irreversível

Ciclo impossível

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Exemplo 18 – Desempenho de ciclo de potência e refrigeração

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Ciclo de Carnot

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Ciclo de Carnot

Processos

Processo 1-2: O gás é comprimido adiabaticamente até o estado 2, onde a temperatura é TH.

Processo 2-3: O sistema é colocado com o reservatório na temperatura TH. O gás expande isotermicamente enquanto recebe energia QH do reservatório quente por calor.

Processo 3-4: O sistema é novamente colocado na posição isolada e o gás continua expandindo adiabaticamente até a temperatura atingir TC.

Processo 4-1: O sistema é colocado em contato com o reservatório na temperatura TC. O gás é comprimido isotermicamente até atingir o seu estado inicial enquanto ele troca energia QC com o reservatório frio por calor.

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Ciclo de Carnot para ciclo de potência

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Ciclo de Carnot

Processos para ciclo de refrigeração e bomba

Processo 1-2: O gás é comprimido isotermicamente a TC enquanto recebe energia QC do reservatório frio por transferência de calor.

Processo 2-3: O gás é comprimido adiabaticamente até sua temperatura atingir TH.

Processo 3-4: O gás é comprimido isotermicamente a TH enquanto descarrega energia QH no reservatório quente por transferência de calor.

Processo 4-1: O gás se expande adiabaticamente até sua temperatura decrescer para TC.

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AGRADECIMENTO

MUITO OBRIGADA!

Date post:	30-Nov-2023
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