Máquinas térmicas

Máquinas Térmicas

Funcionamento da máquina de Carnot

Na Fig. 1 mostra a energia e a temperatura em e respectivamente, que durante cada ciclo do motor, a substância de trabalho absorve a energia sob a forma de calor de um reservatório térmico mantido a temperatura constante e libera a energia sob a forma de calor para um segundo reservatório térmico mantido a uma temperatura inferior, também constante .

Exemplo: Em uma locomotiva a vapor, a caldeira representa a fonte quente, de onde é retirada uma certa quantidade de calor. Parte dessa energia térmica, denominada energia útil, é convertida em trabalho mecânico. A outra parte dessa energia, chamada energia dissipada, é jogada para a atmosfera, que, nesse caso, possui o papel de fonte fria.

O rendimento de uma máquina térmica é dado pelo quociente do trabalho pela energia útil, onde o trabalho é definido pela diferença entre a energia útil e a energia dissipada. A equação do rendimento pode ser reescrita como a diferença entre a unidade e o quociente da energia dissipada pela energia útil.

Rendimento da Maquina ( )

Rendimento da Maquina em % ( )

Trabalho ( )

onde:

é o rendimento;

é a energia útil;

é o trabalho;

é a energia dissipada;

Funcionamento da máquina de Rankine

O ciclo ideal das usinas de potência a vapor é o Ciclo de Rankine (Fig. 1).

O Ciclo de Rankine ideal não envolve nenhuma irreversibilidade interna e consiste nos quatro seguintes processos: 1-2: Compressão isoentrópica numa bomba 2-3: Adição de calor a pressão constante numa caldeiraa 3-4: Expansão isoentrópica numa turbina 4-1: Rejeição de calor a pressão constante num condensador. Água entra na bomba no estado1 como líquido saturado e é comprimida de maneira isoentrópica até a pressão de operação da caldeira. A temperatura da água aumenta um pouco durante esse processo de compressão isoentrópica, devido a uma ligeira diminuição do volume específico da água. A distância vertical entre os estados 1 e 2 do diagrama T-s foi amplamente exagerada por questões didáticas.

A água entra na caldeira como um líquido comprimido no estado 2 e sai como vapor

superaquecido no estado 3. A caldeira é basicamente um grande trocador de calor, no qual o calor originário dos gases de combustão, reatores nucleares ou outras fontes é transferido para a água essencialmente à pressão constante. A caldeira, incluindo a região onde o vapor é superaquecido (superaquecedor), também é chamada de gerador de vapor.

O vapor d’água superaquecido no estado 3 entra na turbina, na qual ele se expande de

forma isoentrópica e produz trabalho, girando o eixo conectado a um gerador elétrico. A

pressão e a temperatura do vapor caem durante esse processo até os valores do estado 4, no qual o vapor entra no condensador. Nesse estado, o vapor em geral é uma mistura de líquido e vapor saturados com um título elevado. O vapor é condensado a pressão constante no condensador, que é basicamente um grande trocador de calor, rejeitando

calor para um meio de resfriamento como um lago, um rio ou a atmosfera. A água deixa o condensador como líquido saturado e entra na bomba completando o ciclo.

A diferença das perdas dos dois ciclos

Na teoria de Carnot o funcionamento do motor seria de 100% e não haveria perdas diferente de Rankine, mas até hoje não há um motor que funcione a 100% de rendimento.

Funcionamento de um Pistão de Motor de Carnot

Seja um fluido elástico, ar atmosférico por exemplo, no interior de um cilindro fechado abcd (fig. 1) e um pistão móvel cd. Seja também dois corpos A e B, cada um mantido a temperatura constante, supondo que a temperatura de A seja maior que a de B. Seja a seguinte série de operações a ser realizada:

• Contato do corpo A com o ar contido no espaço abcd, em contato com a extremidade inferior do cilindro, supondo que o cilindro seja um bom condutor de calor. O ar está agora a temperatura do corpo A, e cd é a atual posição do pistão.

• O pistão sobe lentamente e alcança a posição ef. O ar permanece em contato com o corpo A, e é mantido a temperatura constante durante a expansão. O corpo A fornece o calor necessário para manter sua temperatura constante.

• O corpo A é removido e o ar não está mais em contato com qualquer corpo capaz de lhe fornecer calor, o pistão continua subindo e passa da posição ef para a gh. O ar se expande sem receber calor e sua temperatura cai. Imaginemos que caia até atingir a temperatura do corpo B. Nesse instante o pistão pára na posição gh.

• O ar é colocado em contato com o corpo B; é comprimido e o pistão vai retornando da posição gh até a posição cd. O ar permanece a temperatura constante em virtude do seu contato com o corpo B, para o qual libera calor.

• O corpo B é removido e a compressão do ar continua, porém sua temperatura volta a subir. A compressão continua até que sua temperatura atinja a temperatura do corpo A. O pistão passa da posição cd para ik.

• O ar é recolocado em contato com o corpo A, e o pistão retorna da posição ik para a posição ef, com a temperatura permanecendo invariável.

• O período 3-4-5-6 deve ser repetido sucessivamente

Durante essas operações o ar exerce esforços razoavelmente grandes no pistão. A pressão do ar varia com as variações de volume e com as variações de temperatura, mas deve ser observado que para volumes iguais, que é o mesmo que dizer, para posições iguais do cilindro, a temperatura é maior durante a dilatação do que durante a compressão. Desde que a pressão é maior durante expansão, a quantidade de força motriz produzida pela dilatação é maior do que a consumida na compressão. Assim, obteremos um balanço de força motriz, que pode ser empregada para qualquer propósito.

Todas as operações descritas acima podem ser executadas no sentido inverso. Vamos imaginar que após o sexto período, quando o pistão alcança a posição ef , fazemos ele retornar a posição ik e ao mesmo tempo manter o ar em contato com o corpo A. O calor fornecido por este corpo durante o sexto período retornará para a fonte, isto é , para o corpo A, e tudo será como se fosse o final do quinto período. Se agora nós removermos o corpo A, e se fizermos o pistão se mover de ik para cd, a temperatura do ar cairá de alguns graus como aumentou durante o quinto período, e se igualará a temperatura do corpo B.

O resultado da série de operações foi a produção de uma certa quantidade de força motriz e o transporte de calor do corpo A para o corpo B. O resultado das operações inversas é o consumo da força motriz produzida no primeiro caso e o retorno do calor de B para A, de modo que essas duas séries de operações se anulam.