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Usinas térmicas
ACH1014 Fundamentos de Física
Usinas térmicas
Profa Dra Patricia Targon [email protected]
2013
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A Termodinâmica e o conceito de usina térmica
Estudo das transformações e as relações existentes entre Energia Mecânica e Energia Térmica
Trabalho mecânico e calor
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Energia Mecânica e Energia Térmica ou trabalho mecânico e calor
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Energia Mecânica e Energia Térmica ou trabalho mecânico e calor
Trabalho mecânico
Calor
Movimento não depende dependeMovimento das moléculas
não depende depende
Processo espontâneo
reversível irreversível
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Transferência de calor
sempre do mais quente para o mais frio…
Condução Movimento do calor através de colisões atômicas
Condutividade térmica
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Convecção Transferência de calor por movimento coletivo das moléculas de um líquido ou um gás
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Primeira lei da Termodinâmica:
ConservaçãoConservação
energia total no universo = constante
Para qualquer mudança física ou química, a quantidade totalde energia no Universo permanece constante; a energiapode mudar de forma ou pode ser transportada de umaregião a outra, mas não pode ser criada ou destruída.
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Lord Kelvin (1824-1907)
Qual é a quantidade de energia que a Terra contém?
Qual a idade do planeta?
Ele acreditava que:
Terra nuvem de poeira interestelar
Corpo a alta temperatura
Terrainterestelar temperatura
tempo necessário para esfriar(sem fonte de energia interna)
~100 milhões de anos
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Biologia e geologia: violação da primeira Lei?
O que saiu errado?
1890: descobriu-se que as rochas tinham um fonte de energia: radioatividade
Calor gerado pela conversão de massa
Após refeitos os cálculos: Terra tem bilhões de anos de idade
½ de U da Terra é oriunda desta fonte
A Primeira Lei: relação entre calor, trabalho e energia interna para um sistema fechado
∆U = Q - W
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Os combustíveis fósseis e a Primeira Lei
Não é possível realizar trabalho sem dispor energia
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Mas a primeira lei não explica…
As transformações que a energia pode sofrer…
A irreversibilidade de alguns processos…
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Em todos os processos naturais, a entropia do Universo aumenta
Segunda lei da Termodinâmica: desordem
Todo sistema natural, quando deixado livre, evolui para um estado de máxima desordem, de máxima desordem, correspondente a uma entropia máxima e mínima energia
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Outra forma de enunciar esta lei:
O calor não espontaneamente de um corpo frio para u m corpo quente
Ao colidirem, a molécula mais rápida transfere parte de sua energia para a mais lenta…
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E a geladeira?
Não é espontâneo!
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Outra forma de enunciar esta lei:
É impossível construir uma máquina que converta tod o o calor em trabalho
O processo de conversão de outras formas de energia em energia térmica é irreversível
O movimento ordenado de um objeto pode ser transformado em movimento térmico desordenado das moléculas que o compõem
A eficiência da máquina térmica é sempre menor que 100%
desordenado das moléculas que o compõem
Tquente - Tfria
Tquente
X 100η =
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Na usina termoelétrica (a carvão, por exemplo)
Fonte quente: 550 k
Fonte fria: 300 k
Assim, de acordo com a Segunda Lei:
550 - 300
550X 100η = η = 45,5%
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Ciclo de Carnot
Ciclo no qual uma máquina teria seu rendimento máximo não importando a substância
Considera-se que:o combustível se comporta como um gás idealas trocas de calor só ocorrem durante o contatonão há variação da temperatura durante a compressão e expansão
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Energia interna (ou energia térmica)Energia associada aos movimentos e interações de todas as moléculas e átomos do corpo...
CalorTransferência da energia interna de um corpo para as moléculas de outro corpo por causa da diferença de temperatura. Logo, calor, assim como trabalho, é um processo de transferência de energia.Essa transferência ocorre por:
ConduçãoConvecçãoConvecçãoRadiação
Se as ligações moleculares são rompidas na transferência temos:
transformação de fase
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…mais especificamente: nível de agitação das partículas de um sistema quantidade de energia cinética das moléculas
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Temperatura: indicação de que um corpo está muito quente ou muito frio em relação a um corpo de refer ência
Escalas de temperatura: comparam as temperaturas de dois corpos
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Termômetro: instrumento usado para medir temperatura
Termômetros convencionais (de mercúrio)
Termopares: propriedades elétricas de metais
Termômetro de Galileu
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Capacidade térmica e calor específico
Capacidade térmica: medida da quantidade de calor que um corpo é capaz de absorver
Calor específico: medida da capacidade de uma substância (da qual é constituído um corpo) em absorver calor
Quantidade de calor por unidade de massa necessária para aumentar de 1 °C a temperatura de uma substância
A capacidade térmica da água influencia profundamen te o clima do planeta
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Transformações de faseEstados da matéria
SólidoLíquidoGás
Calor latente de latente de fusão (80 cal/g água)
Calor latente de vaporização(540 cal/g água)
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Equivalente mecânico de calor
1 caloria = 4,186 joules
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Usina termoelétrica (ou termelétrica)
Instalação que produz energia elétrica a partir da queima de carvão, óleocombustível ou gás natural em uma caldeira projetada para esta finalidadeespecífica.
Usinas Termelétricas (parque Furnas):
Usina de Campos - 30 MWUsina de Santa Cruz - 766 MW
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Usina Termelétrica (ou Termoelétrica) Convencional
três etapas:
1. queima de um combustível fóssil (carvão, óleo ou gás) transformando a água em vapor com o calor gerado na caldeira.
2. utilização deste vapor, em alta pressão, para girar a turbina, que por sua vez, aciona o gerador elétrico.
3. o vapor é condensado, transferindo o resíduo de sua energia térmica para um circuito independente de refrigeração, retornando a água à caldeira, completando o ciclo.
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Energia mecânica
Energia elétrica
Alta pressão
turbina
condensador
Energia do combustível
Alta pressão
Bomba
condensador
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Usina Termelétrica - Ciclo Combinado
Aproveita os gases liberados na queima do combustível (usando uma turbina a gás): a expansão dos gases resultantes da queima aciona a turbina a gás (diretamente acoplada ao gerador).
Além disso, possui a turbina a vapor (como na usina termelétrica convencional), porém a transformação da água em vapor é feita com o reaproveitamento do calor porém a transformação da água em vapor é feita com o reaproveitamento do calor dos gases de escape da turbina a gás, na caldeira de recuperação de calor.
A ideia é o aumento do rendimento térmico pelo ciclo combinado.
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Energia mecânica
Energia elétrica
Alta pressão
turbina
condensador
Energia do combustível
Bomba
Primeira parte: calor e temperatura
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créditos
http://pt.wikipedia.org/wiki/Prometeu
NASA
Museo D´Uffizi, obras de domínio público
A respiração e a 1a. Lei da Termodinâmica ou… A Alma da Matéria, L. de Meis e D. Rangel. 1998.
www.barometers.com
http://www.fcmc.es.gov.br/download/Usina_termeletrica.pdf
http://www.furnas.com.br/meioambiente_monitoramentoambi.asp#
http://www.uh.edu/engines/epi1300.htm