Os Ciclos Termodinamicos

UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO

INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS

 DEPARTAMENTO DE FÍSICA

FÍSICA II – IC – 2016/II – TURMA T64

TERMODINÂMICA

CICLOS TERMODINÂMICOS

EDUARDO

JOAO                                                      

                                               

SEROPÉDICA

Janeiro/2016

1 INTRODUÇÃO

        A termodinâmica é a parte do estudo de termologia que relaciona o calor trocado e o trabalho realizado numa transformação de um sistema, quando este interage com o meio exterior. Em outras palavras, é o estudo das mudanças nas condições (estado) das substâncias puras ou de misturas a partir de alterações em sua temperatura, pressão e estado de agregação.

Tomando como consideração um gás perfeito, no interior de um cilindro cujo êmbolo se movimenta livremente o trabalho é dado como:

[pic 1]

Onde o trabalho é dado pela relação entre a pressão, que é a força aplicada sobre a área do êmbolo, e a variação do volume do gás no cilindro.

O gás pode trocar energia com o ambiente de duas formas: Calor (Q) e Trabalho (W) e como resultado dessas trocas energéticas, a energia interna do gás pode aumentar, diminuir ou se manter constante. A lei de conservação da energia preconiza que a mesma não se cria e não se perde, mas pode se transformar em outro tipo de energia, como por exemplo o calor pode ser transformado em trabalho. Dessa forma, esta lei da conservação da energia pode ser enunciada como a primeira lei da termodinâmica. Observada pela equação diferencial:

                                          dEint = dQ – dW

Sendo a variação da energia interna de um determinado sistema a diferença entre a quantidade de calor trocada com o ambiente e o trabalho realizado durante sua transformação. A realização de trabalho ocorre apenas quando há variação de volume e a variação de energia interna ocorrerá quando houver variação de temperatura.......

 

Ciclos Termodinâmicos

Na indústria, a forma adotada para se operar os motores térmicos e as bombas de calor é através de um circuito fechado onde um fluído passa por diversas transformações físicas produzindo calor continuamente (como é o caso dos motores térmicos) ou removendo continuamente calor de uma fonte fria (no caso das bombas de calor). As transformações físicas que ocorrem neste circuito fechado são conhecidas como ciclo termodinâmico.

Um ciclo termodinâmico é constituído por uma série de processos termodinâmicos, tais que ao transcorrer do processo o sistema regresse ao seu estado inicial, ou seja, que a variação das grandezas termodinâmicas do sistema seja nula. Assim, como preconizado na lei de conservação da energia, o somatório de calor e trabalho recebidos pelo sistema, deve ser igual ao produzido por ele.

É possível notar que os processos, que são representados pelas setas no diagrama pressão x volume, vão determinar se o trabalho realizado será positivo ou negativo. Estas duas possibilidades citadas mostram que os ciclos podem ser divididos em duas classes principais: Os ciclos motores, que transformam o calor em um trabalho positivo e as bombas de calor, que irão absorver o trabalho, permitindo a absorção do calor de fonte fria.

Motor térmico

Os motores térmicos são geralmente constituídos de uma caldeira, que é a fonte quente onde combustível é queimado gerando o calor que irá aquecer o fluido no circuito fechado; de uma turbina onde trabalho mecânico é gerado; de um condensador onde o calor remanescente do fluido é cedido para uma fonte fria e de uma bomba hidráulica que envia o fluido de volta para a caldeira, fechando ciclo. A ilustração deste processo é representada no esquema abaixo.

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O esquema de funcionamento segue as seguintes etapas:

1. O fluido, que está no estado líquido, passa pela caldeira e se transforma em vapor a pressão P1 e temperatura T1, absorvendo calor da fonte quente (Qe).
2. O vapor formado na etapa anterior irá passar pela turbina onde irá ocorrer trabalho (Ws). Ao passar pela turbina, haverá a ocorrência de uma considerável perda de pressão e o fluido passa de uma pressão P1 para uma pressão P2. Assim, na prática, parte do vapor poderá se condensar.
3. Vapor, que está a pressão P2 e temperatura T1 passa pelo condensador e cede calor para a fonte fria (Qs), reduzindo assim sua temperatura para T2 e se condensando.
4. O liquido frio que sai do condensador é pressurizado pela bomba hidráulica até uma pressão P2 (pressão de operação da caldeira) e é enviado para a caldeira. No processo de compressão do líquido, trabalho (We) é fornecido para o sistema.

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Bomba de Calor

As bombas de calor são máquinas de operação cíclica utilizadas para transferir calor de um corpo ou fonte à baixa temperatura para outro à alta temperatura, assim realizando trabalho. Os refrigeradores domésticos e sistemas de ar condicionado são alguns dos exemplos desses sistemas. As bombas de calor são constituídas de um evaporador, onde calor é removido da fonte fria (Qe); de um compressor que pressuriza o gás vindo do evaporador; de um condensador que transfere calor (Qs) para uma fonte quente (que pode ser o meio ambiente); e de uma válvula de expansão que diminui a pressão do fluido. A ilustração deste processo é representada no esquema abaixo.

[pic 6]

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O esquema de funcionamento deste ciclo segue as seguintes etapas:

1. O fluido, no estado líquido com pressão P2 e temperatura T1, passa pelo evaporador e absorve o calor da fonte fria (Qe), se transformando em vapor a temperatura T2
2. O vapor produzido é pressurizado no compressor a uma pressão P1. Para realizar esta transformação, trabalho é realizado sobre o fluido (We)
3. O vapor pressurizado passa pelo condensador cedendo calor para a fonte quente, reduzindo sua temperatura para T2 e se condensando.
4. O liquido frio passa por uma válvula de expansão, reduzindo sua pressão para P2 (pressão de operação do evaporador).

É importante salientar que a evaporação, neste sistema, ocorre à baixa pressão e a condensação ocorre à alta pressão. Por isso ele absorve calor de um corpo frio e transfere para um corpo quente, pois em baixas pressões a temperatura de evaporação é menor que em altas pressões e, portanto, por estar a baixa pressão o fluido conseguirá evaporar (e remover calor) mesmo em temperaturas baixas como a de uma geladeira ou freezer.