Termodinamica v-3.0-aula-03-analise-de-ciclos

Termodinâmica

1. Análise deEnergia dos Ciclos
Departamento de Ciências Exatas –Engenharia
Termodinâmica –Aula 03
16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 1
Prof. MSc. PhD. Alberto Lozéa Feijó Soares
E-mail: [email protected]

2. Introdução ao estudo de ciclos
OestudodeSISTEMASTERMODINÂMICOSquepercorremCICLOSdesempenhaum
importantepapelnodesenvolvimentodaEngenharia.Tantoa1ªquantoa2ªLeisda
TermodinâmicatêmsuaorigememestudodeCICLOS.Existemmuitasaplicaçõesprática
importantesaoestudodeCICLOScomoporexemploageraçãodeenergia,apropulsãode
veículosearefrigeração,paraosquaisoentendimentodeCICLOSTERMODINÂMICOSé
necessário.Nessaaula,veremosaanálisedeCICLOSusandooPRINCÍPIODE
CONSERVAÇÃODEENERGIA(1ªLeidaTermodinâmica)aplicadosaCICLOSMOTORES,DE
REFRIGERAÇÃOeDEBOMBASDECALOR.
16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 2

3. MÁQUINASTÉRMICASsãomáquinascapazesderealizarumTRABALHOatravésda
transferênciadeCALORentreduasfontes:umaquenteeoutrafria.AtravésdeCICLOS
MOTORES,partedoCALORretiradodafontequenteétransformadoemTRABALHOe
outraparteétransferidoparaafontefria.EmumCICLOREFRIGERADORouBOMBADE
CALOR(aquecedor)aconteceoinverso,ouseja,adicionandoTRABALHOaoCICLO,o
CALORfluideumafontefriaparaumafontequente(oquenãoacontecenaturalmente).
16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 3
Introdução ao estudo de ciclos

4. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 4
MáquinaavapordeNewcomen:em1712,ThomasNewcomenconstróiumamáquinaa
vaporqueseráaprimeiraaseramplamenteusada.Suafunçãoeradrenarasminasde
carvãodaInglaterra.
Exemplos de ciclos aplicados à máquinas térmicas

5. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 5
Locomotivasavapor:Aprimeiralocomotivaavaporusandotrilhosfoiconstruídapelo
engenheiroinglêsRichardTrevithickefezoseuprimeiropercursoem21de
Fevereirode1804.Alocomotivaconseguiupuxarcincovagõescomdeztoneladasde
cargaesetentapassageirosàvelocidade”vertiginosa”de8kmporhorausandoparao
efeitotrilhosfabricadosemferro-fundido.
Exemplos de ciclos aplicados à máquinas térmicas
Locomotiva de Richard Trevithick. Locomotiva “moderna”.

6. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 6
OmotoravapordeWatt:desenvolvidoentre1763e1775,foiumamelhoriadomotorde
NewcomenefoidesumaimportâncianaRevoluçãoIndustrial.Tambémconhecidacomo
máquinaàvaporBoulton-Watt,foiaprimeiraafazerusodeumcondensadorseparado.
Eraummotordevácuoou"atmosférico"utilizandovaporaumapressãoumpoucoacima
dapressãoatmosféricaparacriarumvácuoparcialporbaixodoêmbolo.JamesWatt,por
segurança,queriaevitarousodevaporàaltapressão.OprojetodeBoultoneWatt
tornou-sesinônimodemotoresàvapor.
Exemplos de ciclos aplicados à máquinas térmicas
CliqueemWATTparaouviracorretapronúnciadonome.

7. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 7
Até1824,oscientistasacreditavamqueasmáquinastérmicaspoderiamatingiro
rendimentode100%,ouseja,transformartodoocalorrecebidoemtrabalho.Asprimeiras
máquinastérmicas,inventadasnoséculoXVIII,consumiamgrandequantidadede
combustívelparaproduzirumtrabalhorelativamentepequeno.
A eterna busca pela eficiência
Porvoltade1770,oinventor
escocêsJamesWattapresentouum
novomodelodemáquinatérmica
queveiosubstituircomenormes
vantagensasmáquinasjáexistentes,
poissuapotênciaeramaior
convertendoassimumamaior
fraçãodocaloremtrabalho.Porém
aeficiênciade100%jamaisseria
atingida.AmáquinaavapordeWatt
passouaseramplamenteusadanas
fábricas,sendoconsideradaumdos
fatoresqueprovocaramafamosa
RevoluçãoIndustrial.

8. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 8
A eterna busca pela eficiência
VejanestevídeoaevoluçãodaMáquinadeNewcomenparaoMotordeWatt,muitomais
eficientequeoaparatodeseuantecessor.
Vídeo: “James Watt e a Máquina a Vapor” em espanhol;
https://drive.google.com/file/d/1IQV8b7hwVANlKPVwd9vjKk3JEIOMCeo-/view?usp=sharing

9. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 9
NicolasLéonardSadiCarnot(1796—1832)foiumfísico,matemáticoeengenheirofrancês
quecriouoprimeiromodeloteóricodesucessosobreasmáquinastérmicas.Emseulivro,
CarnotconcluiuqueaperdadeCALORpelasmáquinastérmicaseraumaconsequência
naturalparaaobtençãodoTRABALHO,oquepassouaserconsideradaaprimeiraversão
da2ªLeidaTermodinâmica.Elaocorreuantesdoestabelecimentoda1ºLei,jáque
naquelaépocaaindasediscutiaoconceitodeENERGIA.Umconceitoqueaindanão
estavaclaro,poisaindaexistiaodebatesobreasteoriasdoFLOGÍSTICOeoCALÓRICO.
A eterna busca pela eficiência

10. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 10
CICLODECARNOT:foiSadiCarnotoidealizadordeumCICLOTERMODINÂMICOquenão
serialevadoemconsideraçãoasdificuldadestécnicasqueumamáquinatérmicareal
possui.LogicamenteesseCICLOpassouaserconsideradoumCICLOteóricoidealque
operariacomumrendimentomáximode70%,independentedequalsubstânciagasosa
fosseutilizada.EsseCICLOfoicompostonumasequênciadequatroTRANSFORMAÇÕES
REVERSÍVEIS,sendoduasADIABÁTICAS(??????=0)eduasISOTÉRMICAS.
Ciclos motores
??????
�
�
????????????????????????�
Princípio de Carnot
Nenhuma máquina térmica
real, operando entre dois
reservatórios térmicos ????????????e ??????�,
pode ser mais eficiente que a
"máquina de Carnot" operando
entre os mesmos reservatórios."
??????
??????
??????
??????
??????
12
??????
34

11. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 11
CICLODECARNOT:
Ciclos motores
EXPANSÃOISOTÉRMICAREVERSÍVEL:oCALOR??????
12éfornecidoaofluidode
formareversívelporumreservatóriodealtatemperatura(fontequente)àuma
temperaturaconstante??????
??????.Opistãonocilindroémovidoeovolumeaumenta
criandoTRABALHO�
12.
1⟶2⇒
??????
�
??????
12
�
12
Fonte quente
�
12
??????
12
Isolamento
térmico
??????
??????
??????
??????

12. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 12
CICLODECARNOT:
Ciclos motores
EXPANSÃOADIABÁTICAREVERSÍVEL:Ocilindroécompletamenteisolado,de
modoquenenhumatransmissãodeCALOR(??????
23=0)ocorraduranteesse
processoreversível.Opistãocontinuaaserexpandidocomovolume
aumentandoegerandooTRABALHO�
23.
2⟶3⇒
??????
�
�
23
�
23
Isolamento
térmico
??????
??????
??????
??????

13. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 13
CICLODECARNOT:
Ciclos motores
3⟶4⇒COMPRESSÃOISOTÉRMICAREVERSÍVEL:oCALOR??????
34érejeitadopelofluido
demaneirareversívelparaumreservatóriodebaixatemperatura(fontefria)a
umatemperaturaconstante??????
??????.Opistãocomprimeofluidocomdiminuiçãodo
volumedogásexercendoTRABALHO�
34sobreele.
??????
�
�
34
�
34
Isolamento
térmico
??????
??????
??????
??????
Fonte fria
??????
12
??????
34

14. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 14
COMPRESSÃOADIABÁTICAREVERSÍVEL:Ocilindroécompletamenteisolado,
nãopermitindonenhumatransmissãodeCALOR(??????
41=0)duranteesse
processo.OpistãocomprimeogásexercendoTRABALHO�
41sobreele,atéo
VOLUME,TEMPERATURAePRESSÃOoriginais,completandoassim,umCICLO.
4⟶1⇒
CICLODECARNOT:
Ciclos motores
Isolamento
térmico
??????
�
�
41
�
41

15. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 15
EmumMOTORAVAPORaágualíquidaabsorveCALOReevapora.Logodepoisperde
CALORvoltandoaFASElíquidafechandoumCICLOTERMODINÂMICOcompleto.Embora
MOTORESDECOMBUSTÃOINTERNApercorramCICLOSMECÂNICOS,oSISTEMA,ouseja,
oconteúdodocilindro,nãoexecutaumCICLOTERMODINÂMICO,umavezqueamatériaé
introduzidacomumacomposiçãoeédescarregadacomoutradiferente,entretantohá
EXPANSÃOeCONTRAÇÃO,oquecaracterizaPROCESSOSemsequência.
Motores reais X Ciclos teóricos
Vela ou eletrodo
Volume da câmera
de combustão
Parede do
cilindro
Pistão
Movimento
de rotação
Movimento
alternativo
Curso
Válvula
�
??????
�
�
�
?????? �
�
�
??????
Válvula de
descarga
fechada
Válvula de
admissão
fechada
Válvula de
descarga
aberta
Admissão
Exaustão
Compressão
Trabalho
??????
atm

16. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 16
CICLOOTTO:éumCICLOTERMODINÂMICOidealizadoparamotoresdecombustão
internadeigniçãoporcentelha.FoidefinidoporBeaudeRochaseimplementadocom
sucessopeloengenheiroalemãoNikolausOttoem1876.MotoresbaseadosnesteCICLO
equipamamaioriadosautomóveisatualmente.UtilizandoesteCICLO,épossívelconstruir
motoresaquatrotemposmaiseficientesemenospoluentesemcomparaçãoaosmotores
adoistempos,apesardomaiornúmerodepartesmóveis,maiorcomplexidade,pesoe
volume,comparandomotoresdemesmaPOTÊNCIA.
Ciclo Otto
??????
�
??????
atm
??????
2
??????
4
??????
3
�
2=�
3 �
1=�
4
1
2
3
4
0
Admissão

17. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 17
Ciclo Otto
??????
�
??????
23
??????
41
�
34
??????
atm
??????
2
??????
4
??????
3
�
2=�
3 �
1=�
4
1
2
3
4
�
12
0
Admissão
ADMISSÃOISOBÁRICA:expansãoaumaatmosferadePRESSÃOconstante(??????
atm).0⟶1⇒
COMPRESSÃOADIABÁTICA:entradadeTRABALHO�
12semtrocadeCALOR.1⟶2⇒
COMBUSTÃOISOCÓRICA:entradadeCALOR??????
23aVOLUMEconstante.2⟶3⇒
EXPANSÃOADIABÁTICA:saídadeTRABALHO�
34semtrocadeCALOR.3⟶4⇒
EXAUSTÃOISOCÓRICA:saídadeCALOR??????
41paraomeioexterno.4⟶1⇒

18. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 18
NestaimagemvemosoCICLOOTTOcompletoemumacurvateóricamaisrealista.
Ciclo Otto
expansão a pressão const.
compressão adiabática.
aquecimento a volume const.
expansão adiabática.
esfriamento a volume const.
compressão a pressão const.

19. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 19
CICLODIESEL:OmotorDieseloumotordeigniçãoporcompressãoéummotorde
combustãointernainventadopeloengenheiroalemãoRudolfDiesel(1858-1913),emque
acombustãosefazpeloaumentodatemperaturaprovocadopelacompressãodoar.O
CICLODIESELidealconsistededuastransformaçõesADIABÁTICAS,umaISOBÁRICAeuma
ISOCÓRICA,conformemostradonodiagrama??????×�abaixo.
Ciclo Diesel

20. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 20
Aseguir,aplicaremososconceitosdeCONSERVAÇÃODEENERGIAdesenvolvidosatéaqui
(1ªLei)emSISTEMASquepercorremCICLOSTERMODINÂMICOS.
Análise de energia de ciclos

21. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 21
OBALANÇODEENERGIA(1ªLei)paraumsistemacíclicoassumeaforma:
Análise de energia de ciclos
⇒∆�
ciclo=??????
ciclo+�
ciclo
Onde??????
cicloe�
ciclorepresentamasquantidadeslíquidasdetransferênciadeCALORe
TRABALHO,respectivamenteparaoCICLO.UmavezqueoSISTEMAretornaaoestado
inicial,nãohávariaçãolíquidadasuaENERGIA,assimsendo,oladoesquerdodaEq.(1)é
zero,assimoBALANÇODEENERGIAparaCICLOSsereduza:
�
ciclo=??????
ciclo
??????
�
�
????????????????????????�
�
1 �
2�
3�
4
??????
1
??????
2
??????
3
??????
4
∆�
ciclo=0⇒ (1)
⇒??????
ciclo=??????
12+??????
23+⋯=෍??????
⇒�
ciclo=�
12+�
23+⋯=෍�

22. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 22
Ciclos motores
Motordecombustãointernatípico:nosmotoresdequatrotempos(CICLOOTTO)opistão,
emmovimentoalternativo,recebeENERGIAduranteotempodecombustão,executandoa
mesmatransferêncianosoutrostrêstempos.Umsistemabiela/manivelatransformao
movimentoalternativoemmovimentoderotação(TRABALHO).
??????
sai
??????
entra
�
ciclo
Rendimento de um motor real
Em nenhuma hipótese, será
possível aproveitar 100% da
ENERGIAdisponível em um
motor real. Obrigatoriamente
uma parte (a maior parte) será
perdida na forma de CALOR
para VIZINHANÇA.."

23. Onde??????
entraéatransferênciadeCALORparaoSISTEMAapartirdaFONTEQUENTEe??????
sai
éatransferênciadeCALORdoSISTEMAparaaFONTEFRIA(geralmenteaatmosferaou
volumed'água).FicaclaroqueparaumCICLOMOTOR,??????
entradevesermaiorque??????
sai.
16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 23
Ciclos motores
OCICLOabaixoforneceumatransferêncialíquidadeENERGIAnaformadeTRABALHO
parasuaVIZINHANÇAdurantecadaCICLO.EsteCICLOédenominadoCICLOMOTOR.
⇒
Fonte
quente
Fonte
fria
Sistema
??????
????????????��??????
??????
�????????????
??????
??????????????????????????????
(2)�
ciclo=??????
entra−??????
sai

24. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 24
Ciclos motores
ORENDIMENTOdeumSISTEMA,noqualencontramosaquantidadedeCALORqueé
convertidaemTRABALHOLÍQUIDO,écalculadaatravésdaEFICIÊNCIATÉRMICA(??????):
⇒??????=
�
ciclo
??????
entra
=
??????
entra−??????
sai
??????
entra
Fonte
quente
Fonte
fria
Sistema
??????
????????????��??????
??????
�????????????
??????
??????????????????????????????
⇒ ??????=1−
??????
sai
??????
entra
Onde??????éumnúmeromenordoqueum(??????<1)epara??????=1significaumRENDIMENTO
de100%,oqueéimpossívelparamotoresreais.GeralmenteparaCICLOSMOTORESa
EFICIÊNCIATÉRMICAtemvalorbemmenorqueum(??????≪1),geralmenteentre20e30%.
Rendimento
(3)

25. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 25
Ciclos de refrigeração e bomba de calor
Refrigeradortípico:ébaseadonoprincípiodatransferênciadeCALORdeumafontefria
(evaporador)paraumafontequente(condensador).Esseprocessonãoocorre
espontaneamente.ÉnecessárioumafontedeenergiaexternapararealizarTRABALHO
(compressor)sobreoSISTEMA,paraqueessatransferênciapossaocorrer.
??????
sai
??????
entra
&#3627408458;
ciclo

26. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 26
Ciclos de refrigeração e bomba de calor
OsCICLOSDEREFRIGERAÇÃOeBOMBADECALORretiramCALORdeumaFONTEFRIAeo
transfereparaaFONTEQUENTE.Paraisso,TRABALHOlíquidodeveentrarnoSISTEMA.
Jáque&#3627408458;
????????????????????????&#3627408476;épositivo,??????
&#3627408480;????????????émaiorque??????
&#3627408466;&#3627408475;&#3627408481;&#3627408479;??????.OCICLODEREFRIGERAÇÃOtemcomo
objetivoresfriarumambienteàumaTEMPERATURAabaixodaVIZINHANÇA.JáoCICLO
BOMBADECALOR,fazoinversoeéusadoparaaquecerumambiente.
Fonte
quente
Fonte
fria
Sistema
??????
&#3627408428;????????????
??????
????????????&#3627408429;&#3627408427;??????
??????
??????????????????????????????⇒ (4)&#3627408458;
ciclo=??????
sai−??????
entra

27. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 27
OCOEFICIENTEDEEFICÁCIA(&#3627409149;)doCICLODEREFRIGERAÇÃOédescritocomoarazão
entre??????
entraeatransferêncialíquidanaformadeTRABALHO&#3627408458;
cicloparaoSISTEMA.
&#3627409149;=
??????
entra
&#3627408458;
ciclo
&#3627409149;=
??????
entra
??????
sai−??????
entra
Paraumrefrigeradordoméstico,??????
saiédescarregadoparaaVIZINHANÇAondeoradiador
(condensador)estálocalizado.OTRABALHOlíquido&#3627408458;
cicloéfornecidonaformade
eletricidadedaredeelétricaetransfereENERGIAdaFONTEFRIAparaaFONTEQUENTE.
Coeficiente de
eficácia
(5)
Coeficiente de eficácia do ciclo de refrigeração
Fonte
quente
Fonte
fria
Sistema
??????
&#3627408428;????????????
??????
????????????&#3627408429;&#3627408427;??????
??????
??????????????????????????????
⇒
⇒

28. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 28
OCOEFICIÊNCIADEEFICÁCIA(&#3627409150;)doCICLOBOMBADECALORédescritocomoarazão
entre??????
saieatransferêncialíquidanaformadeTRABALHO&#3627408458;
cicloparaoSISTEMA.
Coeficiente de eficácia do ciclo bomba de calor
&#3627409150;=
??????
sai
&#3627408458;
ciclo
&#3627409150;=
??????
sai
??????
sai−??????
entra
Coeficiente de
eficácia
(6)
Fonte
quente
Fonte
fria
Sistema
??????
&#3627408428;????????????
??????
????????????&#3627408429;&#3627408427;??????
??????
??????????????????????????????
⇒
⇒
ApartirdaEq.(6)podeservistoque&#3627409150;nuncaserámenorqueaunidade.ParaBOMBASDE
CALOR(aquecedoresresidenciais),??????
&#3627408466;&#3627408475;&#3627408481;&#3627408479;??????vemdaVIZINHANÇAaoredore&#3627408458;
????????????????????????&#3627408476;darede
elétrica.Deseja-sequetanto&#3627409150;como&#3627409149;sejamomaiorpossívelparamaiorEFICIENCIA.

29. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 29
Vídeo-aulasrecomendadas
[1] “MÁQUINAS TÉRMICAS -TERMOLOGIA -Aula 18”, Canal Professor Boaro, último acesso
em 21/09/2020 às 14:12, https://youtu.be/WlxqaxFB_NQ

30. 16/03/2021 FMU -Termodinâmica V3.0 -Prof. A. Lozéa 30
Vídeo-aulasrecomendadas
[2] “CICLO DE CARNOT -TERMOLOGIA -Aula 19”, Canal Professor Boaro, último acesso em
21/09/2020 às 14:13, https://youtu.be/3n8CRANljck