Termodinamica aplicada

1. Exergia ‘ X ’ – Conceitos fundamentais

O que importa em uma fonte de energia é o potencial de trabalho da mesma.  O restante da energia  será rejeitado como energia indisponível.

Exergia : disponibilidade, ou energia disponível.

O potencial de trabalho da energia contida em um sistema em um estado especificado é o máximo trabalho útil que pode ser obtido do sistema.

O trabalho realizado durante um processo depende do estado inicial, do estado final e da trajetória do processo.

O máximo trabalho realizado é o trabalho reversível e o sistema deve estar no estado morto ao final do processo para maximizar o trabalho produzido.

Um sistema está no estado morto quando está em equilíbrio termodinâmico com o ambiente, isto é:

Mesma temperatura e pressão, velocidade nula e cota nula em relação a um plano horizontal de referência.  Além disso, não reage com o ambiente, isto é, é quimicamente neutro.

Estado morto: representado por índice ‘0’ em suas propriedades.

No estado morto, um sistema possui exergia 0.

Vizinhança: tudo o que está fora das fronteiras do sistema

Vizinhança imediata: vizinhança que é afetada pelo processo

Ambiente: região além da vizinhança imediata.  Suas propriedades não são afetadas pelo processo.

2. Exergia associada às energias cinética e potencial

A energia cinética é uma forma de energia mecânica e então pode ser convertida totalmente em trabalho.  Portanto a exergia da energia cinética de um sistema é igual à própria energia cinética.

[pic 1]

Sendo:  xec : exergia específica (por unidade de massa) (kJ/kg)  e

V: velociedade do sistema em relação a um referencial.

A energia potencial é também uma forma de energia mecânica e então pode ser convertida totalmente em trabalho.  Então a exergia da energia potencial de um sistema é igual à própria energia potencial.

[pic 2]

 Sendo g: aceleração da gravidade e z: altura em relação a um plano horizontal de referência.

        3. Trabalho reversível e irreversibilidade

        O trabalho realizado pelos dispositivos que produzem trabalho nem sempre pode ser utilizável. Por exemplo, o gás de um arranjo pistão-cilindro quando se expande, parte do trabalho realizado pelo gás é utilizado para deslocar o ar atmosférico sobre o pistão.  Este trabalho , chamado de trabalho de vizinhança, não pode ser recuperado e vale:

[pic 3]

        A diferença entre o trabalho real e o trabalho de vizinhança é chamado trabalho útil.

[pic 4]

        Na expansão de um sistema, parte do trabalho realizado pelo gás é utilizado para superar a pressão atmosférica e portanto Wviz representa uma perda.  Quando um sistema é comprimido a pressão atmosférica ajuda o processo de compressão e, assim, Wviz representa um ganho.

        O trabalho realizado pela ou contra a pressão atmosférica somente tem significado para sistemas com movimento de fronteira de gases (fronteira móvel). Em turbinas, bocais, compressores dinâmicos não tem significado.

        Trabalho reversível ‘Wrev’ é definido como a quantidade máxima de trabalho útil que pode ser produzida ou o trabalho mínimo que preceisa ser fornecido, quando um sistema sofre um processo entre dois estados especificados.  Quando o estado final é o estado morto, o trabalho reversível é igual

à exergia.

        A diferença entre o trabalho reversível e o trabalho útil se deve às irreversibilidades presentes durante o processo e é chamada de irreversibilidade I.  

[pic 5]

para processos de expansão, sendo o trabalho que sai do sistema e  

[pic 6]

para processos de compressão, sendo o trabalho que deve ser fornecido ao sistema.

        A irreversibilidade equivale à energia destruída.  Num processo totalmente reversível a irreversibilidade é nula.  Os processos totalmente reversíveis não geram entropia.

        A irreversibilidade é um valor positivo para todos os processos irreversíveis, uma vez que Wrev≥Wu para sistemas que produzem trabalho e   Wrev≤Wu para sistemas que consomem trabalho.

        A irreversibilidade pode ser vista como um potencial de trabalho desperdiçado ou uma oportunidade perdida de realizar trabalho.

        O desempenho de um sistema pode ser aperfeiçoado, minimizando a irreversibilidade a ele associada.

        4.  Eficiência de Segunda Lei

        As eficiências térmicas e coeficientes de performance definidos na Termodinâmica Básica referem-se apenas à Primeira Lei.  

        A eficiência de Segunda Lei, ηII é definida como a relação entre a eficiência térmica real e a máxima eficiência térmica possível (reversível), sob as mesmas condições:

[pic 7]

Tambem pode ser expressa como a relação entre a produção de trabalho útil e a máxima produção de trabalho (trabalho reversível) possível:

[pic 8]

ou:

        
[pic 9]

        Para os refrigeradores e bombas de calor, tem-se:

[pic 10]

        Em nenhuma hipótese o rendimento de segunda lei pode exceder 100%.

        As definições acima de eficiência de segunda lei se aplicam a processos que consomem ou produzem trabalho.  Num processo qualquer, de maneira geral a eficiência de segunda lei é a relação entre a exergia recuperada e a exergia fornecida.  Então:

[pic 11]

        Em um processo reversível, a exergia fornecida é totalmente recuperada e a irreversibilidade deve ser zero. A eficiência de segunda lei é zero quando não se recupera nada da exergia fornecida.