Termodinamica

NOTAS DE AULA

CAPÍTULO 1 - COMENTÁRIOS INTRODUTÓRIOS

Neste curso sobre o estudo da termodinâmica, os exemplos e problemas apresentados referem-se a processos que ocorrem em equipamentos com plantas a vapor, células de combustível, refrigeração vapor/compressão, refrigeradores termoelétricos, turbinas, foguetes e separação de gases (ar). Neste primeiro capitulo será brevemente apresentado uma noção básica sobre esses sistemas.

Planta simples de energia a vapor

O diagrama esquemático mostra uma entrada de vapor pressurizado superaquecido, proveniente de uma caldeira que entra em uma turbina, produzindo trabalho através da expansão desse vapor dentro da turbina (a turbina está conectada em gerador elétrico). Nesse momento o vapor perde pressão ao sair da turbina e entra em um trocador de calor, no qual o calor é retirado do vapor, causando uma condensação do mesmo (troca calor com a água do trocador de calor). A pressão do condensado é elevada através de uma bomba possibilitando que esse retorne ao gerador de vapor (caldeira).

Células e combustível

Plantas convencionais queimam uma mistura de ar+combustível (ou reação nuclear) para produzir calor. Essa queima (reação) gera trabalho e muitas vezes é revertido em movimento ou energia elétrica.

A pergunta é: sempre será necessário plantas que utilizam vapor, turbinas, condensadores, bombas? É possível produzir energia elétrica a partir de um combustível de uma maneira mais direta?

Sim... As células de combustível possuem esse objetivo. A figura a seguir ilustra esquematicamente um arranjo de célula de combustível utilizando o conceito de “membrana de troca de íons”. Nesta célula o hidrogênio e o oxigênio reagem produzindo água ( sem queimar). O gás hidrogênio é ionizado na superfície da membrana, os elétrons fluem no circuito externo (catodo) enquanto o hidrogênio positivo ionizado migra através da membrana no qual encontrará do outro lado o oxigênio e os eletros transportados resultando em água. Com isso o processo gerou um fluxo elétrico.

Atualmente, o combustível usado nas células de combustível uma mistura de hidrocarbonetos e hidrogênio e como oxidante o oxigênio mesmo ou ar.

O ciclo de refrigeração vapor-compressor

O ciclo simples de refrigeração vapor-compressor é mostrado esquematicamente na figura a seguir. O Fluido refrigerante entra no compressor como vapor ligeiramente superaquecido em baixa pressão. Quando ele sai do compressor e entra no condensador como vapor, r com um pouco mais de pressão, onde o refrigerante é condensado, o calor é transferido para um trocador de calor (com água) ou troca calor com o ambiente. O refrigerante então sai do condensador como um liquido em alta pressão. A pressão desse liquido é diminuída ao atravessar uma válvula de expansão, e como resultado teremos uma parcela de liquido dentro de um vapor resfriado. Agora esse liquido contido na mistura de estados físicos, com baixa pressão e baixa temperatura, é vaporizado devido ao calor existente dentro do refrigerado. Depois de passar pelo espaço interno do refrigerado reinicia-se o ciclo.

Refrigerador Termoelétrico

Recaímos novamente a uma pergunta: É possível gerar uma planta de refrigeração mais direta? Sim, é possível se for um sistema cuja fonte de energia seja a eletricidade.

O refrigerador termoelétrico é um dispositivo, como o mostrado na figura abaixo,semelhante a um termopar. Usa dois materiais diferentes. Há duas junções entre esses dois materiais diferentes. Uma das juntas estará ao ambiente. Quando uma diferença de potencial for aplicada uma das juntas apresentará redução de sua temperatura (dentro do refrigerado) e a outra irá aumentar (lado de fora, que trocará calor com o ambiente).

A refrigeração termoelétrica ainda é considerada economicamente inviável comporado com o sistema tradicional de refrigeração.

Planta de separação de elemento do ar

Um dos processos de grande significância industrial é o processo de separação de elementos presentes no ar. Em uma planta de separação são retirados do ar diversos componentes. O oxigênio, o nitrogênio, o argônio e outros gases raros (nobres) são utilizados em larga escala na industria.

A planta de separação de elementos do ar pode ser considerada um exemplo dos dois maiores campos de aplicação: são eles a dos processos da indústria química e da criogenia. A criogenia em termos aplicados é o processo de gerar baixíssimas temperaturas ( abaixo de 150 K). Em ambos os processos, químico e criogênico, a termodinâmica é a base da compreensão de vários fenômenos.

O processo se dá da seguinte maneira: O ar atmosférico é pressurizado entre 2 a 3 MPa . Ele é então purificado, particularmente para retirar o dióxido de carbono. Posteriormente o ar é pressionado a uma pressão de 15 a 20 MPa, resfriado a temperatura ambiente para a retirada do vapor de água.

A básica refrigeração no processo de liquefação é provida de dois diferentes procedimentos. Em um dos procedimentos, o ar é expandido. Durante esse processo o ar faz um trabalho que resulta na redução da temperatura. No outro procedimento o ar passado através de uma válvula de aceleração que é projetada de modo que haja uma queda substancial da pressão do ar, associado a esse fenômeno a temperatura também cai. Esses dois procedimentos juntos possibilitam que o que entra na coluna de destilação tenha seus componentes separados, principalmente o oxigênio e o nitrogênio.

A turbina a gás

A operação básica de uma turbina a gás é similar a planta de energia a vapor, exceto que em vez de água e usado o ar. O ar atmosférico flui através de um compressor que faz com que esse ar assuma alta pressão. Energia é adicionada quando de injeta combustível dentro dessa câmara que contem o ar comprimido. Ao queimar esse combustível gera-se um fluxo em altíssima pressão. Esse ar em altíssima pressão e altíssima