TERMODINÂMICA

TERMO relativo ao calorDINÂMICA que tem movimento

Movimento, provocado pelo calor, para realização de trabalho útil.

TERMODINÂMICA

QUALQUER TRABALHO IMPLICA EM TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA !

Qualquer agente capaz de realizar trabalho, convertendo energia de uma forma em outra, é considerado uma máquina.

Ex. Máquina elétrica – transforma a energia elétrica em energia mecânica, como máquina de lavar roupas, liquidificador, furadeira.

Ex. Máquina térmica - transforma a energia térmica em energia mecânica, como usina termelétrica (mov. turbinas), trem a vapor (mov. rodas), motor a combustão interna (mov. rodas)

PENSANDO BEM...

O corpo humano também é uma máquina ?!

Transforma a energia química dos alimentos em energia térmica (mantém nossa temperatura), energia mecânica (caminhar, circulação do sangue), energia sonora (falar, cantar), energia elétrica (transmissão dos sentidos)...

MÁQUINAS TÉRMICAS

Turbina a Vapor

Usina Termelétrica de Porto Alegre-RS

Usina Termelétrica Porto Alegre, do tipo térmica a vapor, está localizada na margem esquerda do rio Gravataí, junto à BR 290, na área metropolitana de Porto Alegre, no estado do RS.

A Usina entrou em operação em 1968 com três unidades de 8 MW cada, totalizando 24 MW. Seus equipamentos utilizam óleo combustível, tipo A1, como fonte primária para a geração de energia elétrica.

Três caldeiras abrigadas do tipo circulação natural, utilizando fornalha de radiação, com dois balões, produzem 40 ton/h de vapor a 450ºC e a 42 Kg/cm² para alimentar as três turbinas, com 10 estágios que compõem o ciclo produtivo da Usina.

Características da Usina:

Capacidade instalada: 24 MW

03 Turbinas: fabricante - Skoda (Theco-Slovaquia) 03 Alternadores (3 x 8 MW): fabricante - Skoda 03 Caldeiras: fabricante - Z.SM.Kirova – Skoda

Numa Usina Termelétrica, a queima de um combustível* dentro da caldeira aquece a água, para transformá-la em vapor.

O vapor exerce força suficiente para movimentar as turbinas a vapor, que estão ligadas aos geradores de eletricidade.

Nesse caso, ocorrem sucessivamente as transformações: de energia química em térmica, em mecânica, em elétrica.

* Os combustíveis mais utilizados são: carvão mineral, óleo diesel, bagaço de cana e casca de arroz.

Nesse momento podemos lembrar da lei maior da natureza: a Lei de Conservação da Energia“A energia não pode ser criada nem destruída, somente transformada de uma forma em outra.”

Em acordo com essa, expressamos a Primeira Lei da Termodinâmica: “Quando uma quantidade de calor Q é absorvida ou cedida por um sistema, e um trabalho é realizado por esse sistema ou sobre ele, a variação da energia interna do sistema U é dada por: U = Q - ”

POR EXEMPLO:

Um sistema recebe certa quantidade de calor, Q=100J. Suponhamos que, desse calor recebido, 70J sejam cedidos ao meio ambiente sob a forma de trabalho. Para onde foram os 30J restantes?

Esses 30J ficaram armazenados pelo sistema, aumentando sua energia interna.

Q=100J = 70J U=30J

Q= +U

MÁQUINAS TÉRMICAS

Motor a Vapor

[combustãoé externa]

O primeiro carro era movido a vapor, fabricado em 1721

As máquinas térmicas operam com um fluido – líquido ou gás – para o seu funcionamento.

Quando um gás se expande, empurrando um pistão, rea-liza um trabalho positivo.

Quando um gás sofre compressão,realiza um trabalho negativo. Isto é,foi realizado trabalho sobre o sistema.

O vapor empurra o pistão, ligado a alavancas que movem as rodas para frente.

O primeiro trem era movido pela força do vapor (maria-fumaça)

Barco a vapor, idealizado por James Watt

... Mais tarde foi aperfeiçoado.

O motor a vapor não revolucionou apenas o transporte, mas deu início a Revolução Industrial ocorrida na Europa.

A força manual seria substituída pela força do vapor – que movia pistões ligados a alavancas, e, com isso, movia os teares das indústrias.

Tear movido a mão

Os teares passaram a ser movidos pela força do vapor

MÁQUINAS TÉRMICAS

Motor de

Combustão Interna

Em cada um dos cilindros, duas válvulas (1 e 2) e um pistão (3)

1 2

3

ESSE MOTOR TAMBÉM É CHAMADO DE MOTOR QUATRO TEMPOS:

Veja os quatro tempos que compõem seu ciclo de funcionamento ADMISSÃO

COMPRESSÃO EXPLOSÃO e EXPANSÃOESCAPAMENTO ou

EXAUSTÃO

Analisemos a Segunda Lei da Termodinâmica:

“É impossível construir uma máquina térmica que, operando em ciclo, transforme em trabalho todo o calor fornecido a ela.”

De fato, nenhuma máquina térmica consegue completar o ciclo sem ceder uma parte do calor para a fonte fria (normalmente o ambiente onde se encontra), não conseguindo, portanto, ter um rendimento de 100% na transformação do calor em trabalho.

Se uma máquina térmica conseguisse transformar em trabalho todo calor fornecido a ela, teria rendimento de 100%, seria então chamada de máquina térmica ideal.

O rendimento R de uma máquina térmica é obtido da relação entre o trabalho que ela realiza em cada ciclo e a quantidade de calor Q absorvido da fonte quente, ou seja, R = / Q.

Exemplo: Um motor efetua 8 ciclos por segundo. Em cada ciclo, retira 600J da fonte quente e cede 300J à fonte fria. Qual é o rendimento desse motor?

R = 300J / 600J R = 0,5 x100% R = 50%

Sadi Carnot expressou o rendimento máximo de uma máquina térmica: Rmáx = (T1 – T2) / T1, onde a temperatura da fonte fria T2 e a temperatura da fonte quente T1 são dadas em Kelvin.

Devemos lembrar que: “Só é possível transformar calor em trabalho útil utilizando-se duas fontes de calor em temperaturas diferentes.”

Exemplo: Num certo vôo, a turbina de um avião retira calor da fonte quente a 1270C e ejeta gases p/ a atmosfera a -330C. Veremos então que o rendimento dessa turbina é de 40% .

OBSERVAÇÃO: Motor a Jato usado em aviões

É formado por 3 partes principais: COMPRESSOR – ele aspira o ar pela parte dianteira e o comprime, através de hélices diferenciadas.

CÂMARA DE COMBUSTÃO ou COMBUSTOR– o ar comprimido entra e se mistura com o combustível (querosene) e se inflama, produzindo um gás de alta temperatura e alta pressão.

TURBINA – é levada a girar em alta velocidade pelo gás quente que sai do combustor.

Após passar pela turbina, o gás escapa num jato quente para trás, causando o impulso que o avião precisa para frente → Princípio da Ação e Reação.

Compressor Combustor Turbina

MÁQUINAS TÉRMICAS

MáquinasRefrigeradoras:

GeladeirasFreezersBalcõesfrigoríficos

COMO ESSAS MÁQUINAS ESFRIAM?Um sistema de refrigeração necessita basicamente de 3 peças:

Motor compressor (1), condensador (2) e evaporador (3)O trabalho do gás (freon) é transportar o calor do interior para o exterior da geladeira. O compressor comprime o gás, deixando-o na forma líquida, e empurra o mesmo pela tubulação do condensador. O gás entra no congelador, na parte chamada evaporador, onde retira calor do interior da geladeira. Transforma-se em vapor, ao retirar calor, e volta novamente para o compressor. 

OBSERVAÇÃO:

Como o calor passa da fonte fria (interna) para a fonte quente (externa), ao contrário das outras máquinas térmicas, dizemos que a geladeira é uma máquina térmica operando em sentido contrário.

A situação normal é o calor passar da fonte quente para a fria; assim, ele quer “entrar na geladeira” uma vez que o ambiente está mais quente. Por esse motivo, o motor precisa empurrar o calor para fora – causando um movimento da fonte fria para a quente. É um mov. forçado a acontecer, necessitando uso da energia elétrica!