Professor Dr. Evandro Rodrigo Dário Curso: Engenharia Mecânica Disciplina: Termodinâmica Disciplina : Termodinâmica Aula 17 – Processos Isentrópicos Curso: Engenharia Mecânica Prof. Evandro Rodrigo Dário, Dr. Eng.
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Aula 17 – Processos Isentrópicos
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Processos Isentrópicos
Mencionamos anteriormente que a
entropia de uma massa fixa pode
variar devido a (1) transferência
de calor e (2) irreversibilidades.
Podemos então concluir que a
entropia de uma massa fixa não
muda durante um processo
internamente reversível e
adiabático
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Processos Isentrópicos
A operação de muitos sistemas ou dispositivos de engenharia como
bombas, turbinas, bocais e difusores é essencialmente adiabática,
e eles têm melhor desempenho quando as irreversibilidades, como o
atrito associado ao processo, são minimizadas.
Os processos isentrópicos permitem
definir eficiências de processos com o
intuito de comparar o desempenho real
desses dispositivos ao desempenho sob
condições idealizadas.
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Processos Isentrópicos
Um processo durante o qual a entropia
permanece constante é chamado um
processo de isentrópico.
É caracterizado por
Ao final de um processo uma
substância terá o mesmo valor de
entropia inicial se o processo for
realizado de forma isentrópica.
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Processos Isentrópicos
Um processo adiabático reversível é necessariamente isentrópico
(s2 = s1), mas um processo isentrópico não é necessariamente um
processo adiabático reversível.
Por exemplo, o aumento da entropia de
uma substância durante um processo
resultante de irreversibilidades pode ser
compensado pela diminuição da
entropia devido a perdas de calor.
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Exemplo 1: Expansão isentrópica do vapor em uma turbina
Vapor de água entra em uma turbina adiabática a 5 MPa e 450 °C, e sai a uma
pressão de 1,4 MPa. Determine o trabalho produzido pela turbina por unidade de
massa de vapor de água se o processo for reversível.
Hipóteses:
1. Esse é um processo com escoamento em regime
permanente, uma vez que não há variação com o tempo em
nenhum ponto e, portanto, ∆mVC = 0, ∆EVC = 0, e ∆SVC = 0;
2. O processo é reversível.
3. As energias cinética e potencial são desprezíveis.
4. A turbina é adiabática, portanto não há transferência de
calor.
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Diagramas de propriedades envolvendo entropia
Os dois diagramas normalmente usados no
estudo da segunda lei são a temperatura-
entropia e a entalpia-entropia.
Considere a equação que define a
entropia.
Nessa equação δQint rev corresponde a uma área diferencial em um
diagrama T-s.
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Diagramas de propriedades envolvendo entropia
A transferência total de calor, durante um processo internamente
reversível é determinada pela integração como
Logo, a área sob a curva do processo
em um diagrama T-S representa a
transferência de calor durante um
processo internamente reversível.
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Diagramas de propriedades envolvendo entropia
Observação:
A área sob a curva de um processo representa
a transferência de calor em processos
internamente (ou totalmente) reversíveis.
A área não tem significado para processos
irreversíveis.
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Diagramas de propriedades envolvendo entropia
Equações anteriores também pode ser expressas por unidade de
massa como:
Para integrar essas equações é preciso conhecer a relação entre T e
s durante o processo.
Um caso especial no qual essas integrações podem ser efetuadas
facilmente é o processo isotérmico internamente reversível.
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Diagramas de propriedades envolvendo entropia
Um caso na qual estas integrações podem ser
realizadas facilmente é nos processos
isotérmicos internamente reversíveis.
onde To é a temperatura constante e Δs é a variação de entropia
do sistema durante o processo.
Ou por unidade de massa:
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Diagramas de propriedades
envolvendo entropia
Um processo isentrópico num diagrama T-s é
facilmente reconhecido como um segmento de
reta vertical.
Outro diagrama muito usado é o diagrama
entalpia-entropia – Diagrama de Mollier,
valioso na análise de dispositivos com
escoamento em regime permanente.
Exemplo – turbina adiabática – trabalho gerado
– Δh ; entropia gerada - Δs
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Exemplo 2: Expansão isentrópica do vapor em uma turbina
Represente o ciclo de uma máquina térmica de Carnot em um diagrama T-S e
indique as áreas que representam o calor fornecido QH, o calor rejeitado QL, e o
trabalho resultante (líquido) Wliq, sai nesse diagrama.
Análise: Lembre-se de que o ciclo de Carnot é formado por dois processos
isotérmicos reversíveis (T = constante) e por dois processos isentrópicos (s =
constante).
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O QUE É A ENTROPIA?
A entropia pode ser vista como uma medida da desordem molecular ou da
aleatoriedade molecular.
À medida que um sistema fica mais desordenado, as
posições das moléculas tornam-se menos previsíveis e
a entropia aumenta.
Assim, não é surpreendente que a entropia de uma
substância seja mais baixa na fase
sólida e mais alta na fase gasosa.
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O QUE É A ENTROPIA?
As moléculas de uma substância na fase sólida oscilam continuamente,
criando uma incerteza acerca de sua posição.
Essas oscilações, porém, desaparecem
gradualmente à medida que a temperatura
diminui, e as moléculas supostamente
tornam-se imóveis no zero absoluto.
Isso representa um estado de ordem
molecular (e energia mínima) definitiva.
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O QUE É A ENTROPIA?
Assim, a entropia de uma substância cristalina
pura à temperatura zero absoluto é zero, uma
vez que não há incerteza sobre o estado das
moléculas naquele instante.
Essa declaração é conhecida como a terceira
lei da termodinâmica.
A terceira lei da termodinâmica oferece um ponto de referência
absoluto para a determinação da entropia.
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O QUE É A ENTROPIA?
As moléculas na fase gasosa possuem uma quantidade considerável de energia
cinética.
As moléculas de gás não conseguem girar uma roda de pás dentro de um
recipiente para produzir trabalho. Isso acontece porque as moléculas de gás e a
energia que elas possuem estão desorganizadas.
O número de moléculas que tentam girar a roda em uma direção em
determinado momento é igual ao número de moléculas que estão tentando girá-
la na direção.
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O QUE É A ENTROPIA?
Considere um eixo girante. Dessa vez a energia das moléculas está
completamente organizada, uma vez que as moléculas do eixo estão girando
juntas na mesma direção.
O trabalho não sofre desordem ou aleatoriedade e,
portanto, está livre de entropia.
Não há nenhuma transferência de entropia
associada à transferência de energia sob a forma
de trabalho.
Portanto, na ausência de atrito, o processo de elevar
um peso girando um eixo (ou um volante) não produz
nenhuma entropia.
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O QUE É A ENTROPIA?
Todo processo que não produz uma
entropia líquida é reversível e, portanto, o
processo que acabamos de descrever pode ser
revertido abaixando o peso.
Dessa forma, energia não se degrada durante
esse processo e nenhum potencial de realizar
trabalho se perde.
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O QUE É A ENTROPIA?
Vamos operar uma roda de pás em um
recipiente cheio de gás.
O trabalho da roda de pás nesse caso é
convertido em energia interna do gás, que
fica evidente pela elevação da sua temperatura,
criando assim um nível de desordem molecular
mais elevado dentro do recipiente.
A energia organizada da roda de pás agora é convertida em uma forma
altamente desorganizada de energia, a qual não pode ser transferida
novamente à roda de pás como energia cinética de rotação.
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O QUE É A ENTROPIA?
Apenas parte dessa energia pode ser
convertida em trabalho através de uma
reorganização parcial por meio de uma máquina
térmica.
Dessa forma, a energia se degrada durante o processo, a capacidade de
realizar o trabalho fica reduzida e desordem molecular é produzida;
Associado a tudo isso, há também um aumento de entropia.
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O QUE É A ENTROPIA?
A quantidade de energia é sempre preservada durante um
processo real (a primeira lei da termodinâmica), mas a qualidade
deve diminuir (a segunda lei).
Essa diminuição da qualidade é sempre acompanhada por um
aumento de entropia.
O calor é uma forma de energia
desorganizada, e uma certa
desorganização (entropia) é
transportada pelo calor.