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Termodinamica

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Termodinamica

  1. 1. TERMODINÂMICA<br />TERMODINÂMICA<br />TERMO  relativo ao calor<br />DINÂMICA que tem movimento<br />Movimento, provocado pelo calor, para realização de trabalho útil. <br />
  2. 2. Qualquertrabalhoimplica em transformação de energia !<br />Qualquer agente capaz de realizar trabalho, convertendo energia de uma forma em outra, é considerado uma máquina. <br />Ex. Máquina elétrica – transforma a energia elétrica em energia mecânica, como máquina de lavar roupas, liquidificador, furadeira.<br />Ex. Máquina térmica - transforma a energia térmica em energia mecânica, como usina termelétrica (mov. turbinas), trem a vapor (mov. rodas), motor a combustão interna (mov. rodas)<br />
  3. 3. Pensando bem...<br />O corpo humano também é <br />uma máquina ?!<br />Transformaaenergiaquímica dos alimentos em energia térmica (mantém nossa temperatura), energia mecânica (caminhar, circulação do sangue), energia sonora (falar, cantar), energia elétrica (transmissão dos sentidos)...<br />
  4. 4. Máquinas Térmicas<br /><ul><li>Turbina </li></ul>a <br />Vapor<br />
  5. 5. Usina Termelétrica de Porto Alegre-RS<br />
  6. 6. Usina Termelétrica Porto Alegre, do tipo térmica a vapor, está localizada na margem esquerda do rio Gravataí, junto à BR 290, na área metropolitana de Porto Alegre, no estado do RS.<br />A Usina entrou em operação em 1968 com três unidades de 8 MW cada, totalizando 24 MW. Seus equipamentos utilizam óleo combustível, tipo A1, como fonte primária para a geração de energia elétrica. <br />Três caldeiras abrigadas do tipo circulação natural, utilizando fornalha de radiação, com dois balões, produzem 40 ton/h de vapor a 450ºC e a 42 Kg/cm² para alimentar as três turbinas, com 10 estágios que compõem o ciclo produtivo da Usina. <br />Características da Usina: <br />Capacidade instalada: 24 MW<br />03 Turbinas: fabricante - Skoda (Theco-Slovaquia) 03 Alternadores (3 x 8 MW): fabricante - Skoda03 Caldeiras: fabricante - Z.SM.Kirova – Skoda<br />
  7. 7. Numa Usina Termelétrica, a queima de um combustível* dentro da caldeira aquece a água, para transformá-la em vapor.<br />O vapor exerce força suficiente para movimentar as turbinas a vapor, que estão ligadas aos geradores de eletricidade.<br />Nesse caso, ocorrem sucessivamente as transformações: de energia química em térmica, em mecânica, em elétrica.<br />* Os combustíveis mais utilizados são: carvão mineral, óleo diesel, bagaço de cana e casca de arroz.<br />
  8. 8. Nesse momento podemos lembrar da lei maior da natureza: a Lei de Conservação da Energia<br />“A energia não pode ser criada nem destruída, somente transformada de uma forma em outra.”<br />Em acordo com essa, expressamos a Primeira Lei da Termodinâmica: “Quando uma quantidade de calor Q é absorvida ou cedida por um sistema, e um trabalho  é realizado por esse sistema ou sobre ele, a variação da energia interna do sistema U édada por: U = Q - ”<br />
  9. 9. Por exemplo:<br />Um sistema recebe certa quantidade de calor, Q=100J. Suponhamos que, desse calor recebido, 70J sejam cedidos ao meio ambiente sob a forma de trabalho. Para onde foram os 30J restantes?<br />Esses 30J ficaram armazenados pelo sistema, aumentando sua energia interna.<br />Q=100J  = 70J  U=30J <br />Q=  +U <br />
  10. 10. Máquinas Térmicas<br /><ul><li>Motor </li></ul>a <br />Vapor <br />[combustão<br />é externa]<br />O primeiro carro era movido a vapor, fabricado em 1721 <br />
  11. 11. As máquinas térmicas operam com um fluido – líquido ou gás – para o seu funcionamento.<br />Quando um gás se expande, <br />empurrando um pistão, rea-<br />liza um trabalho positivo.<br />Quando um gás sofre compressão,<br />realiza um trabalho negativo. Isto é,<br />foi realizado trabalho sobre o sistema.<br />
  12. 12. O primeiro trem era movido pela força do vapor (maria-fumaça)<br />O vapor empurra o pistão, ligado a alavancas que movem as rodas para frente.<br />
  13. 13. Barco a vapor, idealizado por James Watt<br />
  14. 14. ... Mais tarde foi aperfeiçoado.<br />
  15. 15. O motor a vapor não revolucionou apenas o transporte, mas deu início a Revolução Industrial ocorrida na Europa.<br />A força manual seria substituída pela força do vapor – que movia pistões ligados a alavancas, e, com isso, movia os teares das indústrias.<br />Tear movido a mão<br />
  16. 16. Os teares passaram a ser movidos pela força do vapor<br />
  17. 17. Máquinas Térmicas<br /><ul><li>Motor </li></ul> de <br />Combustão <br />Interna<br />
  18. 18. Em cada um dos cilindros, duas válvulas (1 e 2) e um pistão (3)<br /> 1 2<br /> 3<br />
  19. 19. Esse motor também é chamado de motor quatro tempos:<br />Veja os quatro tempos que compõem seu ciclo de funcionamento  ADMISSÃO<br /> COMPRESSÃO <br />EXPLOSÃO e EXPANSÃO<br /> ESCAPAMENTO ou EXAUSTÃO <br />
  20. 20. Analisemos a Segunda Lei da Termodinâmica: <br />“É impossível construir uma máquina térmica que, operando em ciclo, transforme em trabalho todo o calor fornecido a ela.” <br />De fato, nenhuma máquina térmica consegue completar o ciclo sem ceder uma parte do calor para a fonte fria (normalmente o ambiente onde se encontra), não conseguindo, portanto, ter um rendimento de 100% na transformação do calor em trabalho. <br />Se uma máquina térmica conseguisse transformar em trabalho todo calor fornecido a ela, teria rendimento de 100%, seria então chamada de máquina térmica ideal.<br />
  21. 21. O rendimento R de uma máquina térmica é obtido da relação entre o trabalho  que ela realiza em cada ciclo e a quantidade de calor Q absorvido da fonte quente, ou seja, R =  / Q. <br />Exemplo: Um motor efetua 8 ciclos por segundo. Em cada ciclo, retira 600J da fonte quente e cede 300J à fonte fria. Qual é o rendimento desse motor? <br /> R = 300J / 600J  R = 0,5 x100%  R = 50%<br />
  22. 22. Sadi Carnot expressou o rendimento máximo de uma máquina térmica: Rmáx = (T1 – T2) / T1, onde a temperatura da fonte fria T2e a temperatura da fonte quente T1 são dadas em Kelvin.<br />Devemos lembrar que: “Só é possível transformar calor em trabalho útil utilizando-se duas fontes de calor em temperaturas diferentes.” <br />Exemplo: Num certo vôo, a turbina de um avião retira calor da fonte quente a 1270C e ejeta gases p/ a atmosfera a -330C. Veremos então que o rendimento dessa turbina é de 40% .<br />
  23. 23. OBSERVAÇÃO: Motor a Jato usado em aviões<br />É formado por 3 partes principais: <br />COMPRESSOR – ele aspira o ar pela parte dianteira e o comprime, através de hélices diferenciadas.<br />CÂMARA DE COMBUSTÃO ou COMBUSTOR– o ar comprimido entra e se mistura com o combustível (querosene) e se inflama, produzindo um gás de alta temperatura e alta pressão.<br />TURBINA – é levada a girar em alta velocidade pelo gás quente que sai do combustor.<br />
  24. 24. Compressor Combustor Turbina<br />Após passar pela turbina, o gás escapa num jato quente para trás, causando o impulso que o avião precisa para frente -> Princípio da Ação e Reação.<br />
  25. 25. Máquinas Térmicas<br /><ul><li>Máquinas</li></ul>Refrigeradoras:<br />Geladeiras<br />Freezers<br />Balcões<br />frigoríficos<br />
  26. 26. Como essas máquinas esfriam?<br />Um sistema de refrigeração necessita basicamente de 3 peças:<br />Motor compressor (1), condensador (2)e evaporador (3)<br />O trabalho do gás (freon) é transportar o calor do interior para o exterior da geladeira. <br />O compressor comprime o gás, deixando-o na forma líquida, e empurra o mesmo pela tubulação do condensador. O gás entra no congelador, na parte chamada evaporador, onde retira calor do interior da geladeira. Transforma-se em vapor, ao retirar calor, e volta novamente para o compressor.<br /> <br />
  27. 27. Observação:<br />Como o calor passa da fonte fria (interna) para a fonte quente (externa), ao contrário das outras máquinas térmicas, dizemos que a geladeira é uma máquina térmica operando em sentido contrário.<br />A situação normal é o calor passar da fonte quente para a fria; assim, ele quer “entrar na geladeira” uma vez que o ambiente está mais quente. Por esse motivo, o motor precisa empurrar o calor para fora – causando um movimento da fonte fria para a quente. É um mov. forçado a acontecer, necessitando uso da energia elétrica!<br />

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