APLICAÇÃO DA TERMODINÂMICA

APLICAÇÃO DA TERMODINÂMICA

A termodinâmica é o estudo das transformações da energia. As ideias básicas da termodinâmica clássica foram estabelecidas em meados do século XX. Contudo, a sua utilização nos fenômenos químicos se fez desde os anos de 1870 devido principalmente aos trabalhos de W. Gibbs. Em 1923, com a publicação do livro de Lewis e Randall Thermodynamics, sua aplicação tornou-se mais generalizada.

A palavra "Termodinâmica" está associada à transformação do calor em trabalho mecânico. Dessa forma, não é de se estranhar que tenha demorado algum tempo o estabelecimento das técnicas e métodos que permitiram seu emprego aos fenômenos químicos. Hoje em dia a termodinâmica constitui-se uma ciência fundamental, servindo como suporte à ciência e à engenharia química modernas. Pelas leis da termodinâmica pode-se obter, para qualquer substância, o calor específico referente à pressão e volume constantes e, através das equações, pode-se demonstrar como as variações dos calores específicos estão relacionadas com outras propriedades dos corpos.

Acredita-se que a função mais importante da termodinâmica seja o estudo do equilíbrio dos sistemas em mudança de estado. O gelo, a água e o vapor coexistem desde que mantidas suas temperaturas e pressão específicas. Este é o caso conhecido como “regra das fases”, que prediz as condições sob os quais os sistemas que tem um número diferente de estado ou fases e componentes podem estar em equilíbrio.

A termodinâmica contribui ainda no campo da química nas observações das reações químicas da mistura, que através do calor absorvido ou cedido numa reação química entre gases pode-se obter uma relação entre eles com as propriedades técnicas dos gases individuais.

Com o progressivo avanço tecnológico na termodinâmica e em seus estudos, caracterizado pelo desenvolvimento das maquinas térmicas, como a maquina a vapor, turbina e maquina de combustão interna, envolvendo o conhecimento das propriedades termodinâmicas do fluido, ou mistura explosiva empregada podendo assim projetar as máquinas mais convenientes, seu tornou se mais eficaz. Os conceitos e princípios da termodinâmica contribuíram para que alguns engenheiros desenvolvessem tecnologias em maquinas a explosão e obter resultados satisfatórios relacionados ao tempo de produção. Desse modo, a termodinâmica tornou-se se um ramo poderoso da termodinâmica geral e fornece resultados úteis para a indústria química, o qual tem um papel essencial na economia e no desenvolvimento social modernos.

 Aplicações da termodinâmica:

A aplicação da termodinâmica é variada, dentre suas principais utilizações tecnológicas temos:

• Máquinas Térmicas: Uma máquina térmica é classificada como qualquer sistema que, operando segundo um ciclo, transforma calor em trabalho. As mais conhecidas máquinas térmicas são as máquinas a vapor.  É formada por dois reservatórios, conforme representado na Figura 1. O calor flui do reservatório à temperatura elevada (fonte quente) para o reservatório à temperatura mais baixa (fonte fria), obedecendo a Segunda Lei da Termodinâmica e transformando parte do calor que sai da fonte quente em trabalho.

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Figura 1 - Funcionamento da máquina térmica

Fonte: SANTOS, 2010, p. 31.  

• Máquina a vapor: Uma máquina utiliza o vapor para transformar a energia calorífica liberada pela queima de combustível em trabalho. A máquina a vapor possui uma fornalha, na qual se queima carvão, óleo, madeira ou algum outro combustível para produzir energia calorífica. Logo, O calor proveniente da queima de combustível leva a água a transformar-se em vapor ocupando assim um espaço muitas vezes maior que o ocupado pela água. As primeiras máquinas a vapor surgiram durante a Primeira Revolução Industrial, no século XVIII, sendo utilizadas em maquinas de fiar, bem como em navios e trens a vapor, o que ainda acontece até hoje.
• Motor à Explosão: É um motor que utiliza a gasolina como combustível. Realiza trabalho queimando uma mistura de vapor de gasolina e ar dentro de um cilindro. Por esta razão, é também chamado motor de combustão interna. Quando as misturas de ar e combustível queimam, formam-se gases quentes que se expandem rapidamente e empurram as partes interiores do motor, levando-as mover-se. Este processo pode movimentar rodas e hélices, ou operar máquinas. A potência de um motor à explosão, isto é, o trabalho que pode produzir, é geralmente expresso em cavalos-vapor ou watts. Os motores à explosão são compactos e leves comparativamente a sua potência. Isto os torna mais usado em veículos. Automóveis, cortadores de grama, motocicletas, ônibus, aviões e pequenos barcos. Os motores à explosão também podem funcionar como usinas elétricas portáteis - por exemplo, para fornecer energia para acionar bombas e outras máquinas em fazendas.

Termodinâmica no resfriamento de motores

• O componente onde se realiza o armazenamento e resfriamento de água que retirou o calor do motor é denominado de Radiador. Sua constituição é muito simples e reduz-se a dois reservatórios, um superior e outro inferior, os quais ficam unidos por uma serie de tubos munidos de caneletas, para conseguirem uma maior transferência de calor com o ar. No reservatório superior existem dois orifícios, sendo localizados na parte de cima, possuindo uma tampa, para enchimento do radiador e outro na lateral (bocal) que se encontra conectado ao motor por meio de uma tampa adequada. Sua função é equilibrar a temperatura do motor que por muitas vezes é aquecida a uma temperatura quase 800 0C e dando um trato de durabilidade no motor de qualquer veículo que trabalha com resfriamento a água, diferentes daquele que o resfriamento é com o ar, um exemplo simples e próximo de nós são os motores de quatro tempos que possuem caneletas externas que trabalham com função de resfriamento e equilíbrio da temperatura do motor.
• Em termodinâmica computacional (TC), o estado de equilíbrio é descrito usando funções termodinâmicas que dependem da temperatura, pressão e composição química. Estas funções podem ser superadas também para o estado fora do equilíbrio e então, quando são incluídas nos modelos de simulação, fornecem informações sobre condições metaestáveis de equilíbrio. Os modelos termodinâmicos usados na TC contêm parâmetros de ajuste, os quais são otimizados através de dados experimentais e também por modelos teóricos. A qualidade dos resultados irá depender da precisão dos dados experimentais do banco de dados termodinâmicos utilizados por um determinado modelo de TC. Então, novos estudos são em geral fundamentais para atualizar os bancos de dados. Vários tipos de software de TC dependem das informações termodinâmicas, tais como: calor específico, coeficientes de partição, calor latente, atividade, entalpia, pressão de vapor, entre outros, os quais podem ser coletados de várias fontes. Pode então resultar que sejam inconsistentes entre si e sejam incapazes de reproduzir o estado de equilíbrio real.

A termodinâmica na produção de cerâmica

• A termodinâmica envolve o estudo da utilização e conservação da energia pelo que está intimamente relacionada com os processos bioquímicos. A termodinâmica regula a aquisição de energia contida nos alimentos ingeridos pelos organismos vivos, assim como o seu armazenamento no organismo e a sua libertação na atividade metabólica. Os seres vivos transformam energia química em energia mecânica (como acontece na contração dos músculos) e as relações termodinâmicas são fundamentais para a compreensão destas transformações. A energia envolvida na biosíntese das proteínas é igualmente ditada pelas leis da termodinâmica

A termodinâmica nas indústrias

• Em indústrias que tem grande dispêndio energético, o rejeito pode ser revertido como insumo energético para bombas de calor. Já existem sistemas de regeneração de calor, sendo que a bomba de calor seria utilizada para esse mesmo fim. Poucas bombas de calor são instaladas atualmente na indústria, em comparação com as residenciais. Entretanto, à medida que as regulamentações ambientais se tornam mais restritas, as bombas de calor industriais podem transformar-se em uma tecnologia importante para reduzir emissões de fluidos que degradem a camada de ozônio, além disso, melhorar a eficiência do sistema. As aplicações industriais mostram uma variação grande no tipo de energia, de tamanho, de condições de operação, de fontes de calor e do tipo de aplicação de uma bomba de calor. As bombas de calor industriais são usadas principalmente para: aquecimento e refrigeração de espaços; aquecimento e refrigeração de processos industriais; aquecimento de água para lavagem e limpeza; redução do vapor; secagem e desumidificação; evaporação; destilação; concentração. Os setores químicos, petroquímicos, alimentos e bebidas, celulose e papel e têxtil consistem em um enorme campo para utilização das bombas de calor, devido aos processos supracitados, pois para destes processos nestas indústrias, a faixa de temperatura utilizável é condizente com as condições de operação das bombas de calor atualmente existentes
• Observa-se sua utilização em indústrias de alimentos, mais especificamente, conforme estudos, em indústrias de lacticínios, na produção de leite, queijo, iogurte, manteiga e outros derivados. Entre os processos envolvidos estão: a separação, a desnatação, a clarificação, a homogeneização, a mistura, a centrifugação, a evaporação, a coagulação, a hidratação, a desidratação, a fermentação, o corte, a solidificação, a prensagem, a desmoldagem, a salga, a secagem, a maturação, a moagem, a lavagem, o empacotamento, a armazenagem, o transporte entre outros. Dependendo do produto, cada procedimento requerido é feito em uma determinada ordem, utilizando certo conjunto de equipamentos e demandando uma série de utilidades específicas. Evidencia-se sua aplicação no processo de hidratação de proteínas, na área de recepção do leite, pois demanda uma considerável parcela de energia e as temperaturas de processo estão numa faixa de acordo para uma possível implantação de uma bomba de calor

Em suma, as bombas de calor podem ser utilizadas em inúmeros processos industriais, aumentando a eficiência dos mesmos, pois, o calor liberado que iria ser jogado fora, é então reutilizado. Foi analisada a utilização de bombas de calor em quatro processos industriais, dois na indústria de papel e celulose, no processo de secagem de papel, um na indústria de laticínios, no processo de hidratação de proteínas e um na indústria têxtil, no processo de lavagem de tecidos. A aplicação de bombas de calor em processos industriais apresenta potencialidade em setores que se utilizam de fluidos a uma temperatura máxima por volta de 120 0C. Estes setores são o de celulose e papel, têxtil, alimentos, petroquímico entre outros. Os quais são setores de grande participação no consumo de energéticos do setor industrial.

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