(Parte 2 de 6)

6.4. Causas de irreversibilidade

a) atrito;
b) expansão não resistiva;

As causas mais comuns da irreversibilidade ( contrário de reversível) nos processos reais são: c) troca de calor com diferença finita de temperatura; d) mistura de substância diferentes;

Notas de Aula / Fenômenos de Transportes / Parte2 : Termodinâmica Prof. Jorge M. Moraes 31 e) perdas elétricas; f) combustão, etc.

Assim, para que um processo real se aproxime de um processo IDEAL

REVERSÍVEL, ele deve ser lento, sofrer transformações infinitesimais, equilíbrio contínuo, trocar calor com diferenças mínimas de temperatura, mínimo de atrito, etc. Todos os processos reais são IRREVERSÍVEIS.

Quando todos os processos que compõem um ciclo são ditos reversíveis, o ciclo também será reversível.

6.5. Ciclo de Carnot (ou Motor de Carnot ) ( Engenheiro Francês Nicolas Leonard Sadi Carnot , 1796-1832)

O ciclo de Carnot ( ou motor de Carnot) é um ciclo ideal reversível ( Motor Térmico

Ideal ), composto de dois processos adiabáticos reversíveis e de dois processos isotérmicos reversíveis. O ciclo de Carnot independe da substância de trabalho, e qualquer que seja ela, tem sempre os mesmos quatro processos reversíveis. O ciclo de Carnot está mostrado na Fig. abaixo, assim como sua representação no diagrama T x S.

Todos os processos reversíveis :

a) recebimento isotérmico de calor reversível de calor b) rejeição isotérmico de calor reversível de calor c) compressão adiabática reversível d) expansão adiabática reversível

Reservatório térmico a alta temperatura

Gerador de vapor (Condensador)

Condensador (Evaporador)

QL QL Reservatório térmico a baixa temperatura

Turbina (bomba)

Bomba (Turbina)

Notas de Aula / Fenômenos de Transportes / Parte2 : Termodinâmica Prof. Jorge M. Moraes 32

Figura 5.3-1 - O ciclo de Carnot e o esquema de uma máquina térmica

Existem dois teoremas importantes sobre o rendimento térmico do ciclo de Carnot:

1o Teorema - " É impossível construir um motor que opere entre dois reservatórios térmicos e tenha rendimento térmico maior que um motor reversível (motor de Carnot) operando entre os mesmos reservatórios "

2o Teorema - " Todos os motores que operam segundo um ciclo de Carnot, entre dois reservatórios à mesma temperatura, têm o mesmo rendimento"

6.6.Escala termodinâmica de Temperatura

A lei zero da termodinâmica fornece a base para a medida de temperatura, mas também que a escala termométrica deve ser definida em função da substância e do dispositivo usado na medida. O mais conveniente seria uma escala de temperatura independente de qualquer substância particular, a qual possa ser chamada de "Escala Absoluta de Temperatura ".

Da segunda lei da termodinâmica vimos a definição do ciclo de Carnot, que só depende da temperatura dos reservatórios térmicos, sendo independente da substância de trabalho. Assim, o ciclo de Carnot fornece a base para a escala de temperatura que Chamaremos de " Escala Termodinâmica de Temperatura ".

Pode-se mostrar que o rendimento térmico do ciclo de Carnot é função somente da Temperatura, isto é;

Existem inúmeras relações funcionais, ϕ(TL, TH), (TH é a temperatura da fonte quente e TL da fonte fria), que satisfazem essa equação. A função escolhida originalmente, proposta por Lord Kelvin, para a escala termodinâmica de temperatura, é a relação

Notas de Aula / Fenômenos de Transportes / Parte2 : Termodinâmica Prof. Jorge M. Moraes 3

As temperaturas TH e TL são em Kelvin. Com a Escala de Temperatura Absoluta definidas pela equação de ηTcarnot o rendimento térmico do ciclo de Carnot, para um motor térmico, resulta:

=−→=−1
prática para se abordar o problema de medida da temperatura termodinâmicaA

A medida do rendimento térmico do ciclo de Carnot, todavia, não é uma maneira abordagem real usada é baseada no termômetro de gás ideal e num valor atribuído para o ponto triplo da água. Na Décima conferência de Pesos e Medidas que foi realizada em 1954, atribui-se o valor de 273,16 K para a temperatura do ponto triplo da água (o ponto triplo da água é aproximadamente 0,01 OC acima do ponto de fusão do gelo. O ponto de fusão do gelo é definido como sendo a temperatura de uma mistura de gelo e água líquida à pressão de 1(uma) atmosfera, (101,325 kPa) de ar que está saturado com vapor de água. [1]

Ex 6.6.: Calcular o rendimento térmico de um motor de Carnot que opera entre 500 oC e 40 oC

Como sabemos, o rendimento de um motor de Carnot é função somente
de temperatura, ou seja ηTCARNOT

Solução: LHTT

onde,

TH =(500 oC + 273,15) = 773,15 K e TL = (40 oC + 273,15) = 313,15 K

Ex.: Calcular o coeficiente de eficácia, β ( ou coeficiente de desempenho ou COP) de uma bomba de calor de Carnot que opera entre 0 oC e 45 oC

Solução: Da definição do coeficiente de eficácia para uma bomba de calor, temos:

βBOMBAdeCALOR

( 1 )

como se trata de uma máquina de Carnot, sabemos que

Notas de Aula / Fenômenos de Transportes / Parte2 : Termodinâmica Prof. Jorge M. Moraes 34

substituindo na equação (1) temos

βBOMBAdeCALOR L

substituindo os valores numéricos obtemos

βBOMBAdeCALOR = +

Obs. O valor do coeficiente de eficácia ( ou COP) de um refrigerador, (mesmo o

sistema real que funciona por compressão de vapor, a sua geladeira, por exemplo), é em geral, maior que 1 ( um), enquanto o rendimento térmico de uma máquina térmica é sempremenor que 1 ( um)

7. ENTROPIA 7.1 A Desigualdade de Clausius

A primeira lei necessitou a definição da Energia Interna para tratar quantitativamente esta lei para processos. A segunda Lei conduz a uma outra propriedade para tratar quantitativamente esta lei para processos Æ A Entropia

segunda lei da termodinâmica

A desigualdade de Clausius nada mais é que uma conseqüência (corolário) da

A desigualdade de Clausius pode ser mostrada através da análise de transferência de calor em um motor térmico e em um refrigerador.

Consideremos inicialmente um motor térmico reversível operando entre dois reservatórios térmicos a TH e TL com TH > TL, como mostrado na Fig. abaixo.

para este motor pode-se escrever:

Notas de Aula / Fenômenos de Transportes / Parte2 : Termodinâmica Prof. Jorge M. Moraes 35 como todos os processos são reversíveis, a transferência de calor também o é, e portanto, da definição de temperatura absoluta, temos

=

Q TTHL HL Assim, para o ciclo reversível do motor térmico, pode-se escrever que:

∫=−=0

Se TH → TL, W → 0, δQ∫→ 0 e δQT∫ continua zero. Portanto, para uma motor térmico reversível, pode-se escrever:

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