Unidade Avanada FAETEC / NUCLEP

MQUINAS TRMICASAluna: Tatiana Silva Turma: 4B Prof: Sebastio Andr

Rio de Janeiro, 15 de agosto de 2011.

NDICE

1. Comentrios das Leis de termodinmica aplicada a uma mquina trmica Definies de processo Ciclo e mquina trmica Comentrios da primeira e segunda lei da termodinmica aplicada em uma mquina trmica Rendimento de uma mquina trmica Ciclo de Carnot

2. Noes de Transmisso de Calor Comentrios sobre as formas de transmisso de calor Conduo Conveco Radiao

3. Referncias Bibliogrficas

1. Comentrios das Leis de termodinmica aplicada a uma mquina trmica Definies de processo o caminho definido pela sucesso de estados atravs dos quais o sistema passa. Sempre que duas ou mais propriedades de um sistema variam, diz-se que ocorreu um processo. Sempre que h mudana entre estados de equilbrio h um processo. Um processo geralmente descrito por um diagrama identificando os sucessivos estados pelo qual passa o sistema durante o transcurso do mesmo. Um processo de quase-equilbrio (quase-esttico) aquele em que o desvio do equilbrio termodinmico ao ir-se de um estado de equilbrio ao subseqente infinitesimal, de forma que o sistema pode ser considerado a qualquer momento como estando em um dos estados de equilbrio. Assim, um processo quase esttico se aproxima muito de uma sucesso de estados de equilbrio, e tais processos tm diagramas representativos descritos por linhas, e no por pontos no intercalados, em um diagrama de estados.

Exemplos: Processo Isobrico: aquele que ocorre a presso constante. Processo Isotrmico: aquele que ocorre a temperatura constante. Processo isocrico ou isomtrico: aquele que ocorre a volume constante. A variao de energia interna iguala o calor transferido. Processo Isoentlpico: aquele que ocorre a entalpia constante. Processo Isoentrpico: aquele que ocorre a entropia constante. Processo Adiabtico: aquele que no troca calor com a sua vizinhana, ou porque se encontra termicamente isolado desta, ou porque ocorre muito rapidamente. A variao da energia interna iguala o trabalho realizado sobre o sistema.

Ciclo e mquina trmica Quando um sistema (substncia), em um dado estado inicial, passa por certo nmero de mudana de estados ou processos e finalmente retorna ao estado inicial, o sistema executa um ciclo termodinmico. Muitas mquinas tm como objetivo a realizao de trabalho e, para consegui-lo, utilizam energia que , muitas vezes, recebida pela mquina sob a forma de calor. As mquinas que recebem energia sob a forma de calor de modo a poderem realizar trabalho, designam-se por mquinas trmicas.

Comentrios da primeira e segunda lei da termodinmica aplicada em uma mquina trmica

1 Lei da Termodinmica Uma mquina trmica, como o modelo de funcionamento de um motor de um automvel, um sistema que executa uma transformao cclica, isto , a mquina trmica passa periodicamente pelo mesmo estado. Como os estados inicial e final de um ciclo so os mesmos, a energia interna nesses estados igual, e assim, a variao de energia interna ao fim de um ciclo nula. Deste modo, aplicando a 1 lei da termodinmica a uma mquina trmica ao fim de um ciclo:

Segundo a 1 Lei da Termodinmica, o trabalho realizado por uma mquina trmica sobre o exterior (o sinal negativo significa que a mquina realiza trabalho nos arredores), igual energia recebida sob a forma de calor absorvida por ela.

Por exemplo, num motor de exploso de um automvel, a energia obtida sob a forma de calor na cmara de combusto devido exploso da mistura de ar e gasolina, causa a expanso dessa mistura gasosa. Esta expanso empurra um pisto ou mbolo, realizando trabalho sobre o exterior. De seguida, os gases resultantes da combusto so expelidos para o exterior, entrando novamente para a cmara uma mistura de ar e gasolina, e todo o processo volta a repetirse, ou seja, um processo cclico. O movimento do mbolo ou pisto, a que equivale uma certa quantidade de trabalho, apenas acontece porque se fornece energia ao motor e, segundo a 1 lei da termodinmica, o trabalho efetivo realizado por uma mquina trmica no pode ser superior energia recebida sob a forma de calor. Na realidade, o trabalho realizado sempre inferior energia recebida sob a forma de calor, isto , nem toda essa energia recebida usada para realizar trabalho. Por exemplo, parte da energia recebida pela mquina sob a forma de calor provoca o aumento da temperatura da mquina (que depois preciso arrefecer). Designa-se por mquina de movimento perptuo de primeira espcie, um tipo de mquina trmica que realiza trabalho efetivo sem que o sistema receba energia, no entanto, a 1 lei da termodinmica no permite que tal mquina exista. Qualquer mquina s pode transformar energia, recebida sob a forma de calor em energia cedida sob a forma de trabalho, e nunca pode criar energia a partir do nada.

2 Lei da Termodinmica Segundo o postulado de Lord Kelvin, impossvel transformar em trabalho toda a energia sob a forma de calor extrada de uma nica fonte, logo, a frao de energia sob a forma de calor que no utilizada para realizar trabalho transferida para outra fonte a uma temperatura inferior. Assim, as mquinas trmicas apenas permitem obter trabalho, a partir de um fluxo de energia sob a forma de calor entre duas fontes a temperaturas diferentes. A energia sob a forma de calor flui espontaneamente da fonte quente, isto , a fonte com maior temperatura, para a fonte fria, ou seja, a fonte com temperatura inferior. Por exemplo, na mquina a vapor, um cilindro move-se devido expanso do gs no seu interior, causada pela energia proveniente do aquecimento de gua numa caldeira (fonte de energia sob a forma de calor - "fonte de calor"). Parte desta energia no transformada em trabalho, e passa por conduo trmica para os arredores da mquina (fonte com temperatura inferior). O princpio de funcionamento de uma mquina trmica pode ser esquematizado pela figura:

Deste modo, o trabalho fornecido pela mquina igual diferena entre as quantidades de energia sob a forma de calor trocada:

W = |Qq| = |Qf|

Rendimento das mquinas trmicas Um dos principais objetivos de quem constri uma mquina trmica, que esta tenha o maior rendimento possvel. O rendimento, que normalmente se denota por , define-se como a razo entre o trabalho que a mquina fornece W, e a energia sob a forma de calor que sai da fonte quente Qq, e sem o qual ela no poderia funcionar.

Como o quociente entre Qc e Qq tem um valor que pode estar entre 0 e 1, o rendimento de uma mquina trmica sempre inferior a 1. Caso o valor de Qc fosse nulo, isto , se a mquina no transferisse energia sob a forma de calor para a fonte fria, o rendimento seria igual a 1. No entanto, no possvel construir mquinas trmicas onde, ciclicamente se transforme toda a energia sob a forma de calor proveniente da fonte quente, em trabalho, uma vez que tal violaria a 2 lei da termodinmica.

Ciclo de Carnot Carnot idealizou, em 1824, um ciclo que proporcionaria rendimento mximo a uma mquina trmica. Esse ciclo consta de quatro transformaes que se do alternadamente: duas adiabticas e duas isotrmicas, que so, assim como o ciclo, reversveis. Quando percorrido no sentido horrio, o trabalho positivo e medido pela rea do ciclo. Carnot demonstrou que, nesse ciclo, as quantidades de calor trocadas com as fontes (quente e fria) so proporcionais s respectivas temperaturas absolutas das fontes:

Q1 / T1 = Q2 / T2

O rendimento da mquina de Carnot pode ser expresso por:

N = 1 - Q2/Q1 Q2/Q1 = T2/T1 n = 1 - T2/T1

Portanto, o rendimento do ciclo de Carnot funo exclusiva das temperaturas absolutas das fontes quente e fria e no depende da substncia utilizada. Essa frmula corresponde ao mximo rendimento de uma mquina trmica operando entre as temperaturas T1 (fonte quente) e T2 (fonte fria). H ciclos tericos reversveis que podem ter rendimento igual ao do ciclo de Carnot, porm nunca maior, j que este o mximo rendimento possvel para uma mquina trmica. Este rendimento nunca pode chegar a 100% (n =1), pois ela deveria operar entre fonte quente e uma fonte fria 0K (zero absoluto), o que irrealizvel na prtica, alm de contrariar a Segunda Lei da termodinmica, pois converteria calor em trabalho, integralmente:

N = /Q1 se n = 1 e = Q1

2. Noes de Transmisso de CalorCalor definido como sendo a forma de energia transferida, atravs da fronteira de um sistema a uma dada temperatura, a outro sistema (ou meio) numa temperatura inferior, em virtude da diferena de temperatura entre os dois sistemas. Isto , o calor transferido do sistema de maior temperatura ao sistema de temperatura menor e a transferncia de calor ocorre unicamente devido diferena de temperatura entre os dois sistemas. Outro aspecto dessa definio de calor que um corpo ou sistema nunca contm calor. Ou melhor, calor s pode ser identificado quando atravessa a fronteira. Assim o calor um fenmeno transitrio.

Comentrios sobre as formas de transmisso de calor

Conduo (Lei de Fourier) O calor se transfere de um corpo para outro em conseqncia de choques moleculares. Quanto maior a temperatura, maiores as velocidades moleculares e mais freqentes os choques, ocorrendo ento, transferncia de energia cintica para as molculas de menor velocidade e portanto, menor temperatura.

Conveco (Lei de resfriamento de Newton) O modo de transferncia convectiva de calor sustentado pelo movimento molecular aleatrio e pelo movimento macroscpico do fluido no interior da camada limite. A transferncia convectiva de calor pode ser classificada de acordo com a natureza do escoamento: Conveco forada, conveco livre, ou conveco combinada, dependendo da caracterstica do movimento do meio que est em contato com a superfcie.

Radiao (Lei de Stefan Boltzmann) A radiao trmica a energia emitida pela matria que estiver em uma temperatura finita. A energia do campo de radiao transportada pelas ondas eletromagnticas (ou ftons numa outra linguagem). Enquanto a transferncia de calor por conduo precisa de um meio material, a radiao no necessita de qualquer meio. Na realidade, a transferncia de energia por radiao ocorre com maior eficincia no vcuo.

3. Referncias Bibliogrficas

www.sociedadenewtoniana.kit.net/

www.brasilescola.com/fisica/termodinamica.htm

Termodinmica Srie Concursos Pblicos

www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Calorimetria/transm2.php