Princípios Básicos de Termodinâmica: Conceitos, Energia, Potência e Leis, Notas de estudo de Química

Baixe Princípios Básicos de Termodinâmica: Conceitos, Energia, Potência e Leis e outras Notas de estudo em PDF para Química, somente na Docsity! 1 Princípios de funcionamento: Ciclos Termodinâmicos 2 Revisão de Conceitos Gerais de Termodinâmica • Trabalho –> W = F. ∆d •Exemplo: se você levantou um corpo de peso igual a 10 newtons por uma altura de 2 metros, o W = 10 x 2 = 20 joules. • Energia • é a capacidade de produzir trabalho; • Ex. Para produzir os 20 joules de trabalho, o seu organismo gastou 20 joules de energia. Naturalmente, a energia acumulada no seu organismo é muito maior. Mas, desse valor acumulado, 20 joules foram gastos no mencionado trabalho. Assim, podemos dizer que a execução de um certo trabalho sempre implica uma variação da energia de alguma coisa. • Potência • P = W/t • Ex. No exemplo anterior, se o tempo gasto foram 2 segundos, a P = 20 J / 2 s, ou seja, 10 watts. 5 • Caloria • corresponde à quantidade de calor necessária para aquecer um grama de água de 14,5 a 15,5ºC. • Lei zero da Termodinâmica • Dois corpos distintos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, logo eles estão em equilíbrio térmico entre si. • Energia • não pode ser criada nem pode ser destruída; • pode ser apenas transformada em outra modalidade; • 1° lei da termodinâmica é enunciada pela impossibilidade do moto- perpétuo de primeira espécie, isto é, de uma máquina que produza trabalho a partir do nada. Revisão de Conceitos Gerais de Termodinâmica 6 Primeira lei da termodinâmica • 1° lei da Termodinâmica - princípio da conservação da energia aplicado a processos que envolvem transferência de calor. • Na primeira figura, tem-se uma situação de equilíbrio: • massa de um gás no interior de um cilindro com êmbolo; • peso comprimindo o gás; • O sistema tem uma determinada energia interna U1. • Considerando o sistema: • não há troca de calor com outros meios; • adicionado uma quantidade de calor Q ao gás: • ele se expande e o pistão eleva o peso por uma certa altura = W; • energia interna do sistema é U2. • 1° primeira lei relaciona as grandezas mencionadas: • ΔU = U2 - U1 = Q - W 7 Primeira lei da termodinâmica • ∆U = U2 - U1 = Q – W • Variação da energia interna de um sistema é igual à diferença entre o calor transferido para o sistema e o trabalho executado pelo sistema. • Energia interna U • As moléculas que compõem a matéria possuem os seguintes movimentos: • Energia devido ao movimento de Translação; • Energia devido ao movimento de Rotação; • Energia devido a vibração dos átomos dentro das moléculas. Trabalho • Executado pelo sistema – positivo; • Ex. trabalho executado pelo gás sobre o pistão. • Executado sobre o sistema – negativo; • Ex. o gás comprimido por uma força externa. 10 • Portanto, TA > TE > TB; • um dos enunciados da 2° lei da termodinâmica diz que: • “Espontaneamente, o calor só pode passar de um corpo de temperatura mais alta para outro de temperatura mais baixa”; Segunda lei da Termodinâmica 11 Segunda lei da Termodinâmica • MÁQUINA TÉRMICA IDEAL (M) funcionaria como em (a); • Todo o calor Q1 de uma fonte quente (exemplo: a combustão de uma substância) seria transformado em trabalho W; • Portanto, W = Q1; • Eficiência η = 1 ou 100 %; • No entanto, isso nunca ocorre; 12 Segunda lei da Termodinâmica • MÁQUINA REAL opera como em (b); • Haverá sempre uma parcela de calor Q2 que é trocada com uma fonte fria (o próprio ambiente na maioria dos casos); • Eficiência de uma máquina real é: η = (Q1 - Q2) / Q1. •outro enunciado da 2° lei da termodinâmica é dado pela eficiência de uma máquina térmica que diz: “É impossível converter todo o calor de uma fonte em trabalho. Sempre haverá uma parcela trocada com o ambiente”; 15 Processos “Iso” • Quando certas propriedades podem permanecer constantes durante um processo • Usamos o prefixo iso para descrever tais processos • Exemplos: Isotérmicos => T const. Isobáricos ou Isocóricos => P const. Isometricos => V const. Processos e Ciclos Ciclo Um processo, ou série de processos, que começam e terminam no mesmo Estado. 16 Processos e Ciclos • Ciclo • quando um sistema é submetido à uma seqüência de processos até retornar ao estado inicial; • começa e termina no mesmo estado. • Sentido do ciclo • sentido horário – realizam trabalho; • sentido anti-horário – recebem trabalho; • Exemplos de ciclos termodinâmicos • ciclo Otto / fluido operante – ar / máquina – motor à gasolina; • ciclo diesel/ fluido operante – ar / máquina – motor diesel; • ciclo brayton / fluido operante – ar / máquina – turbina à gas; ciclo Carnot / fluido operante – qualquer fluido / máquina – máquina ideal; 17 O Ciclo Otto  Ciclo termodinâmico idealizado pelo engenheiro francês Alphonse Beau de Rochas em 1862.  De forma independente, o engenheiro alemão Nikolaus Otto concebeu coisa similar em 1876, além de construir um motor que operava com o mesmo, embora não exatamente igual aos atuais motores. 20 Ciclo Teórico a Quatro Tempos Fase 1: Admissão Fase 2: Compressão Fase 3: Ignição Fase 4: Combustão Fase 5: Expansão Fase 6: Escapamento 4 Tempos / 6 fases Tempo 1: Admissão Tempo 2: Compressão Tempo 3: Motor Tempo 4: Escapamento 21  Primeiro tempo – Admissão  O primeiro tempo chama-se admissão e corresponde ao movimento do pistão do PMA para o PMB com a válvula de admissão aberta  Nesse tempo, ocorre a primeira fase, que chama-se também admissão, porque o pistão aspira a mistura de ar e gasolina para dentro do cilindro  Quando o pistão chega ao PMB, a válvula de admissão fecha-se e a mistura fica presa dentro do cilindro Ciclo teórico de funcionamento de um motor a quatro tempos 22  Segundo tempo – Compressão  O segundo tempo chama-se compressão e corresponde ao movimento do pistão do PMB ao PMA com as duas válvulas fechadas  Nesse tempo ocorre a segunda fase, que chama-se também compressão, porque o pistão comprime a mistura ar combustível que ficou no interior do cilindro Ciclo teórico de funcionamento de um motor a quatro tempos 25  O Tempo de um motor é um conjunto de fases que ocorrem quando o pistão percorre um curso  Em homenagem ao seu idealizador o ciclo quatro tempos é denominado ciclo de Otto  O Ciclo Otto é completado em quatro tempos ou duas voltas do eixo de manivelas (giro de 720°), durante as quais o pistão recebe apenas um impulso motor  O motor permanece girando durante os demais tempos devido à inércia das peças girantes, principalmente a hélice Ciclo teórico de funcionamento de um motor a quatro tempos 26  Resumo do funcionamento básico Ciclo teórico de funcionamento de um motor a quatro tempos 27  Na prática, as seis fases não correspondem exatamente aos quatro tempos, porque o ciclo teórico sofre modificações que levam em consideração os seguintes fatores: 1. A combustão real não é instantânea, e as válvulas não se abrem nem fecham instantaneamente 2. As válvulas e as tubulações oferecem resistência à passagem da mistura e dos gases queimados 3. A mistura e os gases queimados possuem inércia, havendo portanto um retardo no início e no término do fluxo dos mesmos Ciclo real de funcionamento de um motor a quatro tempos 30  Modificações no ciclo a quatro tempos 1. Avanço na abertura da válvula de admissão (AvAA)  Finalidade de aumentar a carga de combustível  É a antecipação do início da abertura da válvula de admissão  A válvula estará totalmente aberta quando o pistão atingir o PMA  Esse avanço é medido em graus em relação ao moente do eixo de manivelas Ciclo real de funcionamento de um motor a quatro tempos 31  Modificações no ciclo a quatro tempos  Atraso no fechamento da válvula de admissão (AtFA)  Finalidade de aumentar a carga de combustível  A válvula de admissão é fechada um pouco depois do pistão ter atingido o PMB  É vantajoso porque permite à mistura continuar entrando no cilindro devido à inércia da mistura que se encontra ainda no tubo de admissão Ciclo real de funcionamento de um motor a quatro tempos 32  Modificações no ciclo a quatro tempos  Modificação no ponto de ignição  A ignição deve ocorrer antes do PMA, porque a mistura leva certo tempo para se queimar  A combustão no motor real inicia-se no segundo tempo (compressão) e termina no terceiro (tempo motor)  Como a velocidade da combustão é constante, o avanço de ignição deve ser tanto maior quanto maior a velocidade de rotação do motor Ciclo real de funcionamento de um motor a quatro tempos