Sistemas LEI OPEN e Termodinâmica

Primeiros Sistemas LEI OPEN

Nestes, não há fluxo de massa e energia.

Fluxo de Massa

A quantidade de massa que flui através de um sistema, por unidade de volume, área e tempo. Se um sistema aberto tem conservação de massa e o fluido é incompressível, significa que a densidade na entrada é igual à densidade na saída.

Fluxo de Trabalho

O trabalho realizado pelo fluido ao mover-se através do sistema. Devido à conservação de energia, as energias de entrada devem ser iguais às de saída.

Entalpia

É uma propriedade termodinâmica que mostra as transformações de energia que ocorrem em um processo entre a entrada e a saída de um sistema aberto. É uma propriedade precisa, que depende apenas da entrada e saída de um sistema.

Equipamentos de Fluxo Constante

a) Caldeira: É um dispositivo que se caracteriza por fornecer calor a um fluido (geralmente água) a fim de elevar sua temperatura ou vaporizá-lo. É um dispositivo estático que não realiza trabalho.

b) Turbina (gás ou vapor): Um dispositivo que recebe um fluido de alta pressão e energia, que se expande a uma pressão mais baixa para realizar trabalho no eixo. O que nos interessa é conhecer o trabalho do eixo.

c) Compressores e Bombas: Dispositivos que visam elevar a pressão do fluido de trabalho, de forma contínua. Interessa-nos determinar o trabalho para o eixo a ser desenvolvido.

d) Bico: O objetivo deste dispositivo é acelerar um fluido pelo efeito da diminuição da área de passagem e queda de pressão. O fluxo de fluido é tão rápido que o dispositivo funciona adiabaticamente (sem perda de calor).

e) Válvulas: Funcionam como elementos regulatórios, onde o fluido sofre uma queda de pressão devido ao tamanho do dispositivo e à velocidade com que o atravessa. Não há troca de calor nem trabalho, pois são fixas e com limites finitos. É um processo isentálpico, onde a energia de entrada é igual à de saída.

Ciclos Termodinâmicos

a) Ciclo de Trabalho: O objetivo é a transformação do calor em trabalho em um local físico chamado máquina térmica. Exemplos: centrais de ciclo a vapor, motores de ciclo diesel, turbinas a gás de ciclo, etc.

Características do Ciclo de Trabalho

a) Possui pelo menos um processo em que o sistema ou fluido de trabalho recebe calor em altas temperaturas.

b) Possui pelo menos um processo onde o sistema ou fluido de trabalho rejeita calor para um ponto ou reservatório de baixa temperatura.

c) Entrega trabalho.

Questões Primordiais da Usina

A usina leva em conta dois aspectos principais: Eficácia e Eficiência.

• Eficácia: Relacionada com os custos.
• Eficiência: Relacionada com o desempenho da máquina ou processo.

Desempenho da Planta: É a relação entre o valor absoluto (+) do trabalho líquido e o calor absorvido.

Potência Desenvolvida pela Usina: O produto do trabalho de rede pela frequência com que o ciclo se repete.

Calorífico: Quantidade de energia absorvida por um motor, pela massa necessária ou consumida para realizar essa operação.

b) Ciclo de Refrigeração: Seu objetivo é transferir calor de uma fonte de baixa temperatura para uma de alta temperatura, usando trabalho. Exemplos: refrigeradores, bombas de calor, sistemas de ventilação e ar condicionado.

Características

• Possui pelo menos um processo onde a substância de trabalho recebe calor a baixa temperatura.
• Possui pelo menos um processo no qual o sistema rejeita calor a uma fonte de alta temperatura.
• Requer trabalho extra para funcionar.

Nota: Ciclos de refrigeração não têm eficiência ou desempenho, mas sim um coeficiente de operação (COP), que é a relação entre a saída desejada (DI) e o trabalho líquido (Wn).

Bombas de Calor: A eficiência operacional é definida como a relação entre a saída desejada (Qh) e o trabalho líquido (Wn).

Segunda Lei da Termodinâmica

Baseia-se na experiência, descrevendo o sentido espontâneo dos processos e fornece as ferramentas necessárias para medir a qualidade da energia e a eficiência das transformações termodinâmicas.

Reconhece a natureza unidirecional da transferência de calor e da transformação do trabalho em calor.

Entropia

(Desordem) Usada para otimizar os processos de energia, considerando a reversibilidade ou irreversibilidade dos processos.

Processo Irreversível

Ocorre quando um processo não retorna ao seu estado inicial com as mesmas características, ou seja, não há equilíbrio termodinâmico.

Equilíbrio Termodinâmico

Para que isso ocorra, não deve haver:

• a) Alterações no produto mecânico da variação de pressão.
• b) Reações químicas (o processo é a volume constante).
• c) Desequilíbrio térmico (a temperatura deve ser constante).

Processos Irreversíveis

Podem ser causados por:

• Irreversibilidades internas do sistema (atrito interno, combustão, difusão).
• Irreversibilidades externas ao sistema (mecânicas e térmicas).

Consequências da Segunda Lei

Se o processo é espontâneo, é necessariamente irreversível, o que significa que:

• O calor flui de altas para baixas temperaturas.
• O trabalho é espontaneamente convertido em calor.

Declaração de Clausius

Aplicada a ciclos de motores térmicos, afirma que o calor não é transferido espontaneamente de um corpo frio para um de temperatura mais alta.

A única maneira de conseguir isso é através de uma máquina que recebe trabalho externo. Se não há trabalho, o processo é reversível; se há trabalho, o processo é irreversível.

Declaração de Kelvin-Planck

Nenhuma máquina pode converter todo o calor fornecido em trabalho, tendo que ceder parte do calor para um reservatório de temperatura mais baixa.

Ciclo de Carnot

Fundamenta e valida a segunda lei da termodinâmica, estabelecendo uma relação entre calor e temperatura. Este ciclo é baseado em quatro processos reversíveis (dois isotérmicos e dois adiabáticos), permitindo determinar o desempenho térmico em função da temperatura dos reservatórios de energia.

Entropia (Novamente)

A soma de todas as pequenas mudanças de estado determina a desordem do calor em um processo. É uma função de estado que descreve a irreversibilidade de processos. No ciclo de Carnot (quatro processos: dois adiabáticos, onde o calor é zero e não há mudança de entropia, e dois isotérmicos, onde o calor é transferido e há mudança de entropia), em qualquer processo onde não há troca de calor, a entropia é constante (processo isentrópico).