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Lei de Avogadro

A lei de Avogadro é uma das leis de gás. No início do século XIX, um cientista italiano Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro estudou a relação entre o volume  e a quantidade de substância presente no gás. Os resultados de certas experiências com gases o levaram a formular uma conhecida Lei de Avogadro . Afirma que, nas mesmas condições de temperatura e pressão, volumes iguais de gases diferentes contêm um número igual de moléculas, ou:

Para uma massa fixa de um gás ideal a pressão e temperatura constantes, o volume e a quantidade do gás são diretamente proporcionais.

Você pode expressar isso matematicamente como:

V ∝ n

ou

V = constante. n

onde nR / V é constante e:

• n é a quantidade de substância medida em moles
• V é o volume do gás

a constante é igual a RT / p, onde p é a pressão absoluta do gás, T é a temperatura absoluta e R  é a constante de gás ideal, ou universal, igual ao produto da constante de Boltzmann e da constante de Avogadro.

Número de Avogadro

Em homenagem a Avogadro , também o número de partículas (átomos, moléculas, íons ou outras partículas) em 1 mole de uma substância, 6.022 × 10 ²³ , recebeu o nome de Avogadro como constante de Avogadro ou número de Avogadro . A constante de Avogadro é uma das unidades de base SI sete e representado por N _A .

Leis do gás

Em geral, as leis dos gases são as primeiras equações de estado , que correlacionam densidades de gases e líquidos a temperaturas e pressões. As leis de gás foram completamente desenvolvidas no final do século XVIII. Essas leis ou declarações precederam a lei dos gases ideais , uma vez que, individualmente, essas leis são consideradas casos especiais da equação do gás ideal, com uma ou mais variáveis ​​mantidas constantes. Como eles foram quase completamente substituídos pela equação de gás ideal, não é comum que os alunos aprendam essas leis em detalhes. A equação do gás ideal foi declarada pela primeira vez por Émile Clapeyron em 1834 como uma combinação dessas leis:

……………………………………………………………………………………………………………………………….

Relação de Mayer – fórmula de Mayer

Julius Robert Mayer, químico e físico alemão, derivou uma relação entre o calor específico a pressão constante e o calor específico em volume constante para um gás ideal. Ele estudou o fato de que a capacidade térmica específica de um gás a pressão constante (C _p ) é ligeiramente maior que a volume constante (C _v ). Ele argumentou que esta C _p é maior do que o calor específico molar a volume constante C _v , porque a energia deve agora ser fornecidos não só para elevar a temperatura do gás, mas também para o gás para fazer o trabalho , porque neste volume caso mudanças. De acordo comNa relação de Mayer ou na fórmula de Mayer, a diferença entre essas duas capacidades de calor é igual à constante universal de gás, portanto o calor específico molar a pressão constante é igual:

C _p = C _v + R

Ciclo de Carnot – Processos

Em um ciclo de Carnot , o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos reversíveis internamente : dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com dois processos isotérmicos :

1. compressão isentrópica – O gás é comprimido adiabaticamente a partir de um estado para o estado 2, onde a temperatura é T _H . Os arredores trabalham com o gás, aumentando sua energia interna e comprimindo-a. Por outro lado, a entropia permanece inalterada .
2. Expansão isotérmica – O sistema é colocado em contacto com o reservatório em T _H . O gás se expande isotérmica enquanto recebe energia Q _H do reservatório quente por transferência de calor. A temperatura do gás não muda durante o processo. O gás funciona nos arredores. A variação total da entropia é dada por: ∆S = S ₁ – S ₄ = Q _H / T _H
3. expansão isentrópica – O gás expande-se adiabaticamente de estado 3 para o estado 4, onde a temperatura é T _C . O gás trabalha nos arredores e perde uma quantidade de energia interna igual ao trabalho que sai do sistema. Novamente a entropia permanece inalterada.
4. compressão isotérmica – O sistema é colocado em contacto com o reservatório em T _C . O gás é comprimido isotérmica ao seu estado inicial enquanto descarrega energia Q _C para o reservatório frio por transferência de calor. Nesse processo, o ambiente trabalha com o gás. A variação total da entropia é dada por: ∆S = S ₃ – S ₂ = Q _C / T _C

Eficiência do ciclo de Carnot

Em, a geral eficiência térmica , η _th , de qualquer motor de calor é definida como a razão entre o líquido de trabalho que faz, W , para o calor de entrada a uma temperatura elevada, Q _H .

Como a energia é conservada de acordo com a primeira lei da termodinâmicae a energia não pode ser convertida para funcionar completamente, a entrada de calor, Q _H , deve ser igual ao trabalho realizado, W, mais o calor que deve ser dissipado como calor residual Q _C no meio Ambiente. Portanto, podemos reescrever a fórmula da eficiência térmica como:

Ciclo de Carnot – diagrama pV, Ts

O ciclo de Carnot é frequentemente plotado em um diagrama pressão-volume ( diagrama pV ) e em um diagrama temperatura-entropia ( diagrama Ts ).

Quando plotados em um diagrama de pressão-volume , os processos isotérmicos seguem as linhas de isotérmica do gás, os processos adiabáticos se movem entre as isotermas e a área delimitada pela trajetória completa do ciclo representa o trabalho total que pode ser feito durante um ciclo.

O diagrama de temperatura-entropia ( diagrama Ts), no qual o estado termodinâmico é especificado por um ponto em um gráfico com entropia (s) específica (s) como eixo horizontal e temperatura absoluta (T) como eixo vertical, é o melhor diagrama para descrever o comportamento de um ciclo de Carnot .

É uma ferramenta útil e comum, principalmente porque ajuda a visualizar a transferência de calor durante um processo. Para processos reversíveis (ideais), a área sob a curva Ts de um processo é o calor transferido para o sistema durante esse processo.

Ciclo de Carnot – Processos

Em um ciclo de Carnot , o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos reversíveis internamente : dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com dois processos isotérmicos :

1. compressão isentrópica – O gás é comprimido adiabaticamente a partir de um estado para o estado 2, onde a temperatura é T _H . Os arredores trabalham com o gás, aumentando sua energia interna e comprimindo-a. Por outro lado, a entropia permanece inalterada .
2. Expansão isotérmica – O sistema é colocado em contacto com o reservatório em T _H . O gás se expande isotérmica enquanto recebe energia Q _H do reservatório quente por transferência de calor. A temperatura do gás não muda durante o processo. O gás funciona nos arredores. A variação total da entropia é dada por: ∆S = S ₁ – S ₄ = Q _H / T _H
3. expansão isentrópica – O gás expande-se adiabaticamente de estado 3 para o estado 4, onde a temperatura é T _C . O gás trabalha nos arredores e perde uma quantidade de energia interna igual ao trabalho que sai do sistema. Novamente a entropia permanece inalterada.
4. compressão isotérmica – O sistema é colocado em contacto com o reservatório em T _C . O gás é comprimido isotérmica ao seu estado inicial enquanto descarrega energia Q _C para o reservatório frio por transferência de calor. Nesse processo, o ambiente trabalha com o gás. A variação total da entropia é dada por: ∆S = S ₃ – S ₂ = Q _C / T _C

Ciclos termodinâmicos

Em geral, a termodinâmica é a ciência que lida com produção, armazenamento, transferência e conversão de energia. Nosso objetivo aqui será introduzir a termodinâmica como ciência da conversão de energia . Atualmente, o combustível fóssil ainda é a fonte de energia predominante no mundo. Mas a queima de combustíveis fósseis gera apenas energia térmica , portanto essas fontes de energia são chamadas de ” fontes de energia primária “, que devem ser convertidas em fonte de energia secundária , chamadas de portadores de energia ( energia elétrica etc.). Para converter energia térmica em outra forma de energia, um motor térmico deve ser usado.

Muitos motores térmicos operam de maneira cíclica , adicionando energia na forma de calor em uma parte do ciclo e usando essa energia para realizar trabalhos úteis em outra parte do ciclo.

Um processo que eventualmente retorna um sistema ao seu estado inicial é chamado de processo cíclico . Na conclusão de um ciclo, todas as propriedades têm o mesmo valor que tinham no início. O ciclo termodinâmico típico consiste em uma série de processos termodinâmicos que transferem calor e trabalho, variando a pressão, a temperatura e outras variáveis ​​de estado, eventualmente retornando um sistema ao seu estado inicial.

A primeira lei da termodinâmica determina que a entrada líquida de calor seja igual à saída líquida de trabalho em qualquer ciclo.

O aumento da energia interna de um sistema fechado é igual ao calor fornecido ao sistema menos o trabalho realizado por ele.

IntE _int = Q – W

Esta é a Primeira Lei da Termodinâmica e é o princípio da conservação de energia , o que significa que a energia não pode ser criada nem destruída , mas transformada em várias formas à medida que o fluido dentro do volume de controle está sendo estudado.

É a lei mais importante para análise da maioria dos sistemas e a que quantifica como a energia térmica é transformada em outras formas de energia .

Os ciclos termodinâmicos podem ser divididos em duas classes principais:

• Ciclos de energia. Ciclos de energia são ciclos que convertem alguma entrada de calor em uma saída de trabalho mecânico . Os ciclos termodinâmicos de energia são a base para a operação de motores térmicos, que executam a grande maioria dos veículos a motor e geram a maior parte da energia elétrica do mundo.
• Ciclos da bomba de calor.  Ciclos de bomba de calor transfere calor a partir de baixo para altas temperaturas usando trabalho mecânico de entrada. Não há diferença entre termodinâmica de refrigeradores e bombas de calor. Ambos trabalham movendo o calor de um espaço frio para um espaço quente.

• A seguinte classificação dos ciclos termodinâmicos é feita de acordo com seus processos termodinâmicos constituintes. Na prática, os ciclos termodinâmicos idealizados simples são geralmente constituídos por quatro processos termodinâmicos. Em geral, os seguintes processos geralmente constituem ciclos termodinâmicos:

  • Processo adiabático
  • Processo isotérmico
  • Processo isobárico
  • Processo isocórico
  Ciclo de Carnot

  

  Veja também: Ciclo de Carnot

  Em 1824, o engenheiro e físico francês Nicolas Léonard Sadi Carnot avançou o estudo da segunda lei, formando um princípio (também chamado de regra de Carnot ) que especifica limites para a máxima eficiência que qualquer motor térmico pode obter. Em suma, este princípio afirma que a eficiência de um ciclo termodinâmico depende apenas da diferença entre os reservatórios de temperatura quente e fria.

  O princípio de Carnot afirma:

  1. Nenhum motor pode ser mais eficiente do que um motor reversível ( um motor térmico Carnot ) operando entre os mesmos reservatórios de alta temperatura e baixa temperatura.
  2. As eficiências de todos os motores reversíveis (motores de calor Carnot ) que operam entre os mesmos reservatórios de temperatura constante são as mesmas, independentemente da substância de trabalho empregada ou dos detalhes da operação.

  O ciclo desse mecanismo é chamado de ciclo de Carnot . Um sistema que passa por um ciclo de Carnot é chamado de mecanismo térmico de Carnot . Não é um ciclo termodinâmico real, mas é uma construção teórica e não pode ser construída na prática. Todos os processos termodinâmicos reais são de alguma forma irreversíveis . Eles não são feitos infinitamente devagar e infinitamente pequenos passos na temperatura também são uma ficção teórica. Portanto, os motores térmicos devem ter eficiências mais baixas do que os limites de eficiência devido à irreversibilidade inerente ao ciclo dos motores térmicos que utilizam.

  Ciclo Otto

  

  Veja também: Ciclo Otto

  Veja também: Ciclo de Atkinson

  O ciclo do mecanismo Otto é chamado de ciclo Otto . É um dos ciclos termodinâmicos mais comuns encontrados em motores de automóveis e descreve o funcionamento de um motor de pistão de ignição comandada típico. Ao contrário do ciclo de Carnot, o ciclo Otto não executa processos isotérmicos, porque estes devem ser realizados muito lentamente. Em um ciclo Otto ideal, o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos reversíveis internamente: dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com dois processos isocóricos.

  Como o princípio de Carnot afirma que nenhum motor pode ser mais eficiente do que um motor reversível ( um motor de calor Carnot ) operando entre os mesmos reservatórios de alta e baixa temperatura, o motor Otto deve ter uma eficiência mais baixa que a eficiência de Carnot. Um motor automotivo a gasolina típico opera com cerca de 25% a 30% de eficiência térmica. Cerca de 70-75% é rejeitado como calor residual sem ser convertido em trabalho útil, ou seja, trabalho entregue às rodas.

  Ciclo Diesel

  

  Veja também: Ciclo Diesel

  Veja também: Ciclo duplo

  O ciclo diesel é um dos ciclos termodinâmicos mais comunsencontrados em motores de automóveis e descreve o funcionamento de um motor de pistão de ignição por compressão típico. O motor Diesel é semelhante em operação ao motor a gasolina. A diferença mais importante é que:

  • Não há combustível no cilindro no início do curso de compressão; portanto, uma autoignição não ocorre nos motores a diesel.
  • O motor diesel usa ignição por compressão em vez de ignição por faísca.
  • Devido à alta temperatura desenvolvida durante a compressão adiabática, o combustível inflama espontaneamente à medida que é injetado. Portanto, não são necessárias velas de ignição.
  • Antes do início do curso de força, os injetores começam a injetar combustível diretamente na câmara de combustão e, portanto, a primeira parte do curso de força ocorre aproximadamente à pressão constante.
  • Taxas de compressão mais altas podem ser alcançadas em motores a diesel do que em motores Otto
  Ciclo de Brayton

  

  Veja também: Ciclo de Brayton

  Veja também: Ciclo Ericsson

  Em 1872, um engenheiro americano, George Bailey Brayton, avançou no estudo de motores térmicos, patenteando um motor de combustão interna de pressão constante, inicialmente usando gás vaporizado, mas posteriormente usando combustíveis líquidos, como o querosene. Este motor térmico é conhecido como ” Motor Brayton’s Ready “ . Isso significa que o motor Brayton original usava um compressor de pistão e um expansor de pistão em vez de uma turbina a gás e um compressor de gás.

  Hoje, os modernos motores de turbina a gás e os motores a jato de respiração também são motores de calor com pressão constante; portanto, descrevemos sua termodinâmica pelo ciclo de Brayton . Em geral, o ciclo de Brayton descreve o funcionamento de um motor térmico de pressão constante .

  É um dos ciclos termodinâmicos mais comuns que podem ser encontrados em usinas de turbinas a gás ou em aviões. Ao contrário do ciclo de Carnot , o ciclo de Brayton não executa processos isotérmicos , porque estes devem ser realizados muito lentamente. Em um ciclo de Brayton ideal , o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos: dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com dois processos isobáricos.

  Ciclo Rankine

  

  Veja também: Ciclo Rankine

  Em 1859, um engenheiro escocês, William John Macquorn Rankine, avançou no estudo de motores térmicos publicando o ” Manual do motor a vapor e outros motores principais “. Rankine desenvolveu uma teoria completa do motor a vapor e, de fato, de todos os motores térmicos. Juntamente com Rudolf Clausius e William Thomson (Lord Kelvin), ele contribuiu para a termodinâmica, concentrando-se particularmente na primeira das três leis termodinâmicas. O ciclo Rankine recebeu seu nome e descreve o desempenho dos sistemas de turbinas a vapor , embora o O princípio também se aplica a motores alternativos, como locomotivas a vapor. Em geral, o ciclo de Rankineé um ciclo termodinâmico idealizado de um motor de calor com pressão constante que converte parte do calor em trabalho mecânico. Nesse ciclo, o calor é fornecido externamente a um circuito fechado, que geralmente usa água (na fase líquida e de vapor) como fluido de trabalho. Em contraste com o ciclo de Brayton , o fluido de trabalho no ciclo Rankine  passa pela mudança de fase  de uma fase líquida para vapor e vice-versa.

  Embora muitas substâncias possam ser usadas como fluido de trabalho no ciclo Rankine (inorgânico ou mesmo orgânico), a água é geralmente o fluido de escolha devido às suas propriedades favoráveis, como sua química não tóxica e não reativa, abundância e baixo custo, bem como suas propriedades termodinâmicas. Por exemplo, a água tem o calor específico mais alto de qualquer substância comum – 4,19 kJ / kg K. Além disso, possui um calor de vaporização muito alto , o que a torna um fluido de arrefecimento eficaz e médio em usinas termelétricas e outras indústrias de energia. No caso do ciclo Rankine, a Lei do Gás Idealquase não pode ser usado (o vapor não segue pV = nRT), portanto, todos os parâmetros importantes de água e vapor são tabulados nas chamadas ” Tabelas de vapor “.

  Uma das principais vantagens do ciclo Rankine é que o processo de compressão na bomba ocorre em um líquido . Ao condensar o vapor de trabalho em um líquido (dentro de um condensador), a pressão na saída da turbina é reduzida e a energia requerida pela bomba de alimentação consome apenas 1% a 3% da potência de saída da turbina, e esses fatores contribuem para uma eficiência mais alta. o ciclo.

  Hoje, o ciclo Rankine é o ciclo operacional fundamental de todas as usinas termelétricas onde um fluido operacional é continuamente evaporado e condensado. É um dos ciclos termodinâmicos mais comuns , porque na maioria dos lugares do mundo a turbina é movida a vapor.