Slide - Segunda Lei da Termodinâmica - Termodinâmica - 2023-2

5. A segunda Lei da termodinâmica ZEA0466 – Termodinâmica - FZEA/USP Profa Izabel C. F. Moraes Objetivos: ✓ Introdução e importância da 2ª Lei da termodinâmica ✓ Enunciados da 2ª lei da termodinâmica ✓ Ciclos termodinâmicos A segunda Lei da termodinâmica: CONCEITOS Exemplo 1 – Fluxo térmico 20oC 80oC Fronteira diatérmica 20oC 80oC Fronteira diatérmica 20oC 80oC Fronteira diatérmica ???? Segunda Lei da Termodinâmica ✓ Um processo real obedece a primeira lei da termodinâmica ✓ A 1a Lei não garante que o processo realmente ocorrerá !!! A 1ª Lei não estabelece restrições no sentido da interação de calor ou trabalho Çengel & Boles (7ª ed.) A segunda Lei da termodinâmica: CONCEITOS 1) Motivação da 2ª Lei : direcionalidade dos processos. ESPONTANEIDADE. ❖ 1ª Lei: conservação de energia Determinado processo ocorre se a conservação de energia no sistema é mantida. Porém, somente a 1ª Lei não é suficiente para dizer se determinado processo vai ocorrer. ❖ 2ª Lei: direção Possibilidade real de um processo acontecer Um processo só ocorrerá se ele obedecer a 1ª e a 2ª lei da termodinâmica Segunda Lei da Termodinâmica Enunciado de kelvin-Planck “É impossível para qualquer sistema operando em ciclo termodinâmico fornecer uma quantidade líquida de trabalho para suas vizinhanças trocando calor com apenas uma fonte” Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858-1947 William Thomson, Lorde Kelvin, 1824-1907 Fonte quente Sistema Fonte fria Fonte quente Sistema Fonte fria Segunda Lei da Termodinâmica Enunciado de Clausius “É impossível para qualquer sistema operar de maneira que o único resultado seja a troca de calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente” Fonte quente Sistema Fonte fria Fonte quente Sistema Fonte fria Rudolf Julius Emanuel Clausius, 1822 - 1888 Segunda Lei da Termodinâmica Enunciado de Clausius Máquina térmica ou motor térmico (ou motor) Q W Fonte de calor ou fonte quente Escoadouro de calor ou fonte fria Dispositivo que realiza trabalho Dispositivo gerador de potência a partir de calor ✓ Motor térmico: dispositivo que, operando segundo um ciclo termodinâmico, realiza um trabalho líquido positivo a custa de interação de calor de um corpo a uma temperatura mais alta para um corpo a temperatura mais baixa. Refrigerador Q W Fonte quente Fonte fria Dispositivo que recebe trabalho ✓ Reservatório térmico Sistema com capacidade térmica elevada, de modo que qualquer interação de calor é insuficiente para alterar significativamente sua temperatura; - Oceanos, lagos, rios, etc... - Ar atmosférico; - Sistemas bifásicos – (Temperatura constante) - Fontes de calor: fornecem calor (ex. Forno) (Tq ou TH: temperatura da fonte quente) - Sumidouros de calor: absorvem calor (ex. condensadores) (TF ou TC: temperatura da fonte fria) ✓ Fluido de trabalho: carrega e descarrega energia térmica A segunda Lei da termodinâmica: CONCEITOS 1) Motivação da 2ª Lei : direcionalidade dos processos. ESPONTANEIDADE. ❖ 1ª Lei: conservação de energia Estabelece como a energia de um sistema se transforma em função de trocas de energia com suas vizinhanças ❖ 2ª Lei: Espontaneidade termodinâmica Determina restrições em relação ao sentido da energia ❖ TODO PROCESSO ESPONTÂNEO CONSERVA ENERGIA, MAS NEM TODO O PROCESSO QUE CONSERVA ENERGIA É ESPONTÂNEO 2ª LEI – pode ser quantificada pela Entropia (S) (youtube Pedro Loos – A entropia explicada) ou pela energia livre de Gibbs (G) Aspectos da segunda Lei da termodinâmica ❖Prever a direção de processos ❖Estabelecer condições para o equilíbrio ❖Determinar o melhor desempenho teórico de ciclos, motores e dispositivos; ❖Avaliar quantitativamente os fatores que impedem a obtenção do melhor desempenho teórico; ❖Definir uma escala de temperatura independente de qualquer substância termométrica OBS: motor térmico: dispositivo, que operando segundo um ciclo trmodiâmico, realiza um trabalho positivo a custa de interação de calor de um corpo a uma T mais alta para um corpo a uma T mais baixa. Moran, Shapiro et al. 8ª ed. Segunda lei, entropia e sentido do tempo ✓ Processos espontâneos = Irreversíveis (sentido natural do tempo) (não ocorrem em sentido inverso naturalmente) Troca de calor envolvendo variações de temperatura Expansão espontânea ✓ Esses exemplos são processos espontâneo, e por serem espontâneo, são irreversíveis! Massa em queda Exemplos de irreversibilidades ✓ Atrito ✓ Transferência de calor ✓ Expansão não resistida de um gás ✓ Mistura de duas substâncias (difusão) ✓ Reação química espontânea ✓ Efeito Joule Atrito em rolamento, em escoamento de fluidos ✓ Todo processo REAL é irreversível! Definição Irreversibilidade externa vs interna Slide adaptado de M.S.Ferreira Exemplo: máquina térmica 𝜂𝑡 = 𝑄𝑞 − 𝑄𝐹 𝑄𝑞 𝜂𝑡 = 1 − 𝑄𝐹 𝑄𝑞 Çengel & Boles (7ª ed.) 𝜂𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 = 𝑊𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝜂𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 = 𝑒𝑓𝑒𝑖𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜 𝑔𝑎𝑠𝑡𝑜 1a Lei Qciclo = Wciclo Wciclo = Qentra - Qsai Vapor saturado ou superaquecido Vapor saturado ou superaquecido Água líquida Água líquida Exemplo: ciclo de refrigeração 𝐶𝑂𝑃𝑅 𝑜𝑢 𝐵𝐶 = 𝐸𝑓𝑒𝑖𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜 𝑔𝑎𝑠𝑡𝑜 𝐶𝑂𝑃𝑅 = 𝑄𝐹 𝑊𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 COP: coeficiente de performance (eficiência de um refrigerador ou bomba de calor) 1a Lei Qciclo = Wciclo Wciclo = Qq - QF Note que COPR pode e deve ser maior que 1 Çengel & Boles (7ª ed.) Bomba de calor FONTE: Moran et al (2005) Exemplo: (ii) Bomba de calor (BC) 𝐶𝑂𝑃𝑅 𝑜𝑢 𝐵𝐶 = 𝐸𝑓𝑒𝑖𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜 𝑔𝑎𝑠𝑡𝑜 𝐶𝑂𝑃𝐵𝐶 = 𝑄𝐻 𝑊𝑐 COP: coeficiente de performance (eficiência de um refrigerador ou bomba de calor) 1a Lei Qciclo = Wciclo Wciclo = Qq - QF Note que COPBC é maior que 1 Çengel & Boles (7ª ed.) Exercícios 1) Vendedores estão apregoando máquinas térmicas excepcionais para operar entre os reservatórios térmicos de 100 °C e 200 °C, com características apresentadas na tabela. Verifique se elas são possíveis, e se impossíveis, justifique a causa indicando o enunciado que violam. Existe a necessidade de uma diferença mínima de temperatura de 10 °C para tornar real a transferência de calor entre a máquina e a fonte. OBS : motor ou máquina térmica Para um motor ou refrigerador que opera de forma reversível podemos substituir o calor trocado entre o sistema e a vizinhança pela temperatura na escala absoluta. Pela segunda lei da termodinâmica, o rendimento ou o COP de um motor/refrigerador real nunca será maior que um ciclo reversível Tipo QH QL W Possível? Por que não? Bomba de calor 100 76 24 Motor 100 16 74 Refrigerador 100 0 100 Motor 100 85 15 Motor 100 0 100 Refrigerador 100 78 22 Motor 100 100 0 Motor 100 75 25 Refrigerador 100 100 0 Bomba de Calor 100 0 100 Exercícios 2) Calor é transferido de uma fornalha para uma máquina térmica a uma taxa de 80 kW. Considerando-se uma taxa de rejeição de calor de 50 kW. Calcule a potência líquida produzida e a eficiência da máquina. 3) O compartimento de alimentos de um refrigerador é mantido a 4 °C por meio de remoção de calor a uma taxa de 360 kJ/min. Se o compressor fornece 2 kW ao equipamento., calcule: (a) o coeficiente de desempenho do refrigerador; (b) A taxa na qual o calor é rejeitado no ambiente onde se localiza o refrigerador. Caldeiras Funcionamento de uma caldeira Funcionamento de uma turbina OBRIGADA CUIDEM-SE!!!!