Ciclo termodinâmico
Um ciclo termodinâmico se constitui de qualquer série de processos termodinâmicos tais que, ao transcurso de todos eles, o sistema regresse a seu estado inicial; ou seja, que a variação das grandezas termodinâmicas próprias do sistema seja nula.
O calor é uma energia em trânsito de um corpo para outro em resultado da diferença de temperatura entre esses corpos. A quantidade de calor Q necessária para elevar a temperatura da massa m de um material de um pequeno valor ∆T é proporcional a ∆T. Essa proporcionalidade pode ser expressa em termos da massa m e do calor especifico molar c, ou em termos do número de moles n e do calor especifico molar C=M.c onde M é a massa molar e m=nM.
Um sistema termodinâmico pode trocar energia com suas vizinhanças mediante transferência de calor, ou pelo trabalho mecânico realizado. Quando um sistema com pressão P se expande de um volume V1 até um volume V2, ele realiza um trabalho W dado pela integral de P em relação ao volume. Se a pressão permanece constante, o trabalho realizado é igual a P vezes a variação de volume. Um valor negativo de W significa que o trabalho é realizado sobre o sistema. Em qualquer processo termodinâmico, o calor fornecido para o sistema e o trabalho realizado pelo sistema, além de dependerem do estado inicial e do estado final, dependem também do caminho( o conjunto de estados intermediários através dos quais o sistema evolui). W = ∫ V 1 V 2 P d v {\displaystyle W=\int _{V1}^{V2}Pdv} (1) W = P ( V 2 − V 1 ) {\displaystyle W=P(V2-V1)} (2) (Somente para pressão constante) Volume aumenta (V1>V2): Trabalho e área são positivos.
Primeira lei da termodinâmica
A primeira lei da termodinâmica afirma que quando se fornece um calor Q ao sistema enquanto ele realiza um trabalho W, a energia interna U varia de uma quantidade igual a Q – W. Essa lei pode ser expressa de modo a ser aplicada em um processo infinitesimal. A energia interna de qualquer sistema termodinâmico depende somente do seu estado. A variação da energia interna em qualquer processo termodinâmico depende somente do estado inicial e do estado final, e não do caminho. A energia interna de um sistema isolado permanece constante. △ U = Q − W {\displaystyle \bigtriangleup U=Q-W} (4) Um processo termodinâmico é um evento caracterizado pela mudança de uma ou mais variáveis de estado do sistema. As variáveis de estado são pressão, temperatura e volume, e são chamadas dessa forma pois influenciam fortemente nas propriedades e no comportamento do gás. Existem cinco tipos de processos termodinâmicos que obedecem à 1ª Lei da Termodinâmica, que são nomeados de acordo com as variáveis de estado, são eles:
Ciclos termodinâmicos são a base de operação de motores de calor, que operam grande parte dos veículos automotores. Ciclos termodinâmicos podem ser divididos de acordo com o tipo de motor de calor que eles desejam modelar. Os ciclos mais comuns são os que modelam motores de combustão interna. O ciclo de Otto modela motores à gasolina, O ciclo Diesel modela motores a diesel. Ciclos que modelam motores de combustão externa incluem o ciclo de Brayton, que modela turbinas de gás, e o ciclo de Rankine, que modela turbinas de vapor. Ciclo (ou processo cíclico) é definido como um sistema que sofre diversas transformações de estado e processos, no qual os valores iniciais e finais têm o mesmo valor. Um ciclo termodinâmico sofre processos e mudanças de estados em seu volume, pressão e temperatura. Um processo que ocorre a volume constante é chamado de isocórico; isobárico a pressão constante e isotérmico a temperatura constante. É importante lembrar que durante todo o ciclo o sistema está em equilíbrio termodinâmico. Como em um ciclo é definido como um processo que inicia e se encerra no mesmo estado, a variação da energia interna é zero ( ΔEint = 0) , assim este ciclo é regido pela Primeira Lei da Termodinâmica (ou Lei da Conservação da Energia), no qual determina que, no decorrer de qualquer ciclo termodinâmico a integral cíclica da variação de calor é proporcional a integral cíclica da variação de trabalho:
Ciclos inversos e bomba de calor
Um ciclo termodinâmico inverso busca o contrário do ciclo termodinâmico de obtenção de trabalho. Aporta-se trabalho externo ao ciclo para conseguir que a transferência de calor se produza da fonte mais fria à mais quente. Ciclos de bomba de calor são modelos termodinâmicos aplicados em bombas de calor e refrigeradores.A diferença entre os dois é que bombas de calor são feitas para manter um local quente, enquanto refrigeradores são feitos para refrigerá-lo. O ciclo de refrigeração mais simples é o de compressão de vapor, que modela sistemas usando refrigeradores que mudam de fase.Ciclos de refrigeração de gás incluem o ciclo de Brayton reverso e o ciclo de Hampsom-Linde.
O ciclo termodinâmico ideal (ciclo de Carnot)
A máquina de Carnot é um motor teórico, de grande importância, descrito por Nicolas Léonard Sadi Carnot em 1824. Carnot demonstrou que uma máquina térmica operando em um ciclo ideal, reversível (ciclo de Carnot), entre dois reservatórios térmicos é a mais eficiente possível e, ainda, que quanto maior a temperatura do reservatório quente, maior seria a eficiência da máquina térmica para uma substancia que se comporta como um gás ideal. Tal máquina estabelece um limite de eficiência máxima para todas as outras máquinas térmicas, como dito no teorema de Carnot: Nenhuma máquina térmica real operando entre dois reservatórios de energia pode ser mais eficiente que uma máquina de Carnot operando entre os mesmos dois reservatórios.
Eficiência do ciclo de Carnot
A eficiência de um ciclo térmico é dada pela equação: e = | W | / | Q q | {\displaystyle e=|W|/|Qq|} , (11) onde W é o trabalho (energia útil) e Qq é o calor quente (energia disponível). Sabemos que |W| =|Qq| -|Qf|, onde Qf é o calor frio, portanto temos que e = (|Qq| - |Qf|)/ |Qq|= 1 - |Qf|/ |Qq| (12) Analisando o diagrama PV do ciclo de Carnot, temos que: De A → B temos uma expansão isotérmica à temperatura Tq= constante, logo ΔEint AB = Qq + WAB, neste caso a variação de energia interna é igual a zero, portanto Qq = - W, onde o trabalho de A→B é dado pela equação: W i s o = {\displaystyle W_{iso}=} A B = n R T . ln ( V i V f ) {\displaystyle AB=nRT.\ln \left({\frac {V_{i}}{V_{f}}}\right)} = n R T q ln ( V a V b ) {\displaystyle =nRT_{q}\ln({\tfrac {V_{a}}{V_{b}}})} (13)
Ciclos termodinâmicos conhecidos
Na prática, ciclos termodinâmicos idealizados simples são geralmente compostos por quatro processos termodinâmicos. A princípio, qualquer processo pode ser usado, no entanto, quando ciclos idealizados são modelados, geralmente se mantém uma das variáveis de instância constante, como nos seguintes processos: processo isotérmico (temperatura constante), processo isobárico (pressão constante), processo isocórico (volume constante), processo isotrópico (entropia constante) ou processo entálpico (entalpia constante). Geralmente processos adiabáticos (onde não há troca de calor) também são usados. Alguns exemplos de processos termodinâmicos e os processos que os compõem:
