Cursos Engenharia: Máquinas Térmicas

Figura 3 - Fonte e Sumidouro

Ao desenvolver a Segunda Lei da Termodinâmica, é interessante inicialmente o entendimento de reservatórios de energia e máquinas térmicas.

RESERVATÓRIOS DE ENERGIA TÉRMICA

Grandes corpos de água como os oceanos, lagos e rios, bem como o ar atmosférico, podem ser modelados como reservatórios de energia térmica (ou simplesmente reservatório), que são corpos com uma capacidade de energia térmica (massa x calor especí co) relativamente grande. Estes reservatórios podem fornecer ou remover quantidades nitas de calor sem sofrer qualquer variação de temperatura. Um reservatório que fornece energia na forma de calor é chamado de fonte, e um reservatório que recebe energia é chamado de sumidouro Fig.3.

Na verdade, todo corpo cuja capacidade de energia térmica seja grande com relação à quantidade de energia que ele fornece ou remove pode ser modelado como um reservatório. Por exemplo, o ar de uma sala na análise da dissipação de calor de um aparelho de TV, pois a quantidade calor transferido pela TV para o ar da sala não é su cientemente grande para gerar um efeito perceptível sobre a temperatura da sala.

MÁQUINAS TÉRMICAS

Considere o sistema ilustrado na Fig. 4, como mencionado anteriormente, o trabalho mecânico realizado pelo eixo é convertido em energia interna da água que por sua vez pode ser retirada da água sob a forma de calor. O processo inverso não ocorrerá, pois se transferirmos calor de volta para a água, isto não fará o eixo girar.

Figura 4 - Trabalho mecânico é convertido em calor, mas o processo inverso não ocorrerá.

Máquinas térmicas (vide esquema na Fig.5) são dispositivos que fazem a conversão de calor em trabalho, e tem as seguintes características:

recebem calor de uma fonte à alta temperatura (energia solar, combustão de um gás, etc.);
convertem parte de calor em trabalho em geral, com um eixo rotativo;
rejeitam o restante do calor para um sumidouro à baixa temperatura; e
operam num ciclo.

Figura 5 - Esquema de uma máquina térmica

A usina à vapor é uma máquina térmica de combustão externa (i.e. a combustão ocorre fora da máquina) e a energia térmica liberada durante esse processo é transferida para o vapor sob a forma de calor. O esquema na Fig.6 ilustra um exemplo que tem variáveis, onde:

Qc é a quantidade de calor fornecida ao vapor na caldeira a partir de uma fonte de alta temperatura;
Qs é a quantidade de calor rejeitada pelo vapor no condensador;
Ws é o trabalho realizado pelo vapor à medida que se expande na turbina; e
We é o trabalho necessário para comprimir a água até a pressão da caldeira.

O fluido utilizado para transferir e receber calor numa máquina térmica, que neste exemplo da usina é o próprio vapor, é chamado de fl uido de trabalho.

O trabalho líquido dessa usina é simplesmente a diferença entre os totais de saída e entrada de trabalho, conforme a Eq. 1.

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Figura 6 - Esquema de um usina de vapor

O trabalho líquido (W_liq;s) também pode ser determinado em função da transferência de calor, pois esta usina pode ser analisada como um sistema fechado, conforme Eq.2. Considerando a fronteira do sistema indicado na Fig. 6, tem-se portanto que a variação de energia interna é zero, assim tem-se

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