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Entropia no Absoluto Zero

De acordo com a terceira lei da termodinâmica:

A entropia de um sistema se aproxima de um valor constante à medida que a temperatura se aproxima do zero absoluto.

Com base em evidências empíricas, esta lei afirma que a entropia de uma substância cristalina pura é zero no zero absoluto de temperatura , 0 K e que é impossível por meio de qualquer processo, não importa o ideal, reduzir a temperatura de um sistema para zero absoluto em um número finito de etapas. Isso nos permite definir um ponto zero para a energia térmica de um corpo.

O zero absoluto é a temperatura teórica mais fria, na qual o movimento térmico de átomos e moléculas atinge seu mínimo. Este é um estado no qual a entalpia e a entropia de um gás ideal resfriado atingem seu valor mínimo, tomado como 0. Classicamente , esse seria um estado de imobilidade , mas a incerteza quântica determina que as partículas ainda possuem uma energia finita de ponto zero . O zero absoluto é indicado como 0 K na escala Kelvin, -273,15 ° C na escala Celsius e -459,67 ° F na escala Fahrenheit.

Irreversibilidade dos processos naturais

De acordo com a segunda lei da termodinâmica:

A entropia de qualquer sistema isolado nunca diminui. Em um processo termodinâmico natural, a soma das entropias dos sistemas termodinâmicos em interação aumenta.  

Esta lei indica a irreversibilidade dos processos naturais . Processos reversíveis são uma ficção teórica útil e conveniente, mas não ocorrem na natureza. A partir desta lei, é impossível construir um dispositivo que opere em um ciclo e cujo único efeito seja a transferência de calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente. Segue-se que máquinas perpétuas de movimento do segundo tipo são impossíveis.

Diagramas de entropia de temperatura – Diagramas Ts

Em geral, as fases de uma substância e os relacionamentos entre suas propriedades são mais comumente mostrados nos diagramas de propriedades . Um grande número de propriedades diferentes foi definido e existem algumas dependências entre as propriedades.

Um diagrama de entropia de temperatura ( diagrama Ts ) é o tipo de diagrama mais frequentemente usado para analisar os ciclos do sistema de transferência de energia. É usado na termodinâmica para visualizar alterações de temperatura e entropia específica durante um processo ou ciclo termodinâmico.

Isso ocorre porque o trabalho realizado pelo ou no sistema e o calor adicionado ou removido do sistema podem ser visualizados no diagrama Ts . Pela definição de entropia, o calor transferido de ou para um sistema é igual à área sob a curva Ts do processo.

dQ = TdS

Um processo isentrópico é representado como uma linha vertical em um diagrama Ts, enquanto um processo isotérmico é uma linha horizontal. Em um estado idealizado, a compressão é uma bomba, a compressão em um compressor e a expansão em uma turbina são processos isentrópicos. Portanto, é muito útil em engenharia de energia, porque esses dispositivos são usados ​​em ciclos termodinâmicos de usinas de energia.

Observe que, as premissas isentrópicas são aplicáveis ​​apenas aos ciclos ideais. Ciclos termodinâmicos reais têm perdas de energia inerentes devido à ineficiência de compressores e turbinas.

Entropia específica

A entropia pode ser transformada em uma variável intensiva ou específica dividindo-se pela massa. Os engenheiros usam mais a entropia específica na análise termodinâmica do que a própria entropia. A entropia específica (s) de uma substância é a sua entropia por unidade de massa. É igual à entropia total (S) dividida pela massa total (m).

s = S / m

Onde:

s = entropia específica (J / kg)

S = entropia (J)

m = massa (kg)

A entropia quantifica a energia de uma substância que não está mais disponível para realizar um trabalho útil. Como a entropia diz muito sobre a utilidade de uma quantidade de calor transferida na execução do trabalho, as tabelas de vapor incluem valores de entropia específica (s = S / m) como parte das informações tabuladas.

Em geral, a entropia específica é uma propriedade de uma substância, como pressão, temperatura e volume, mas não pode ser medida diretamente. Normalmente, a entropia de uma substância é dada com relação a algum valor de referência. Por exemplo, a entropia específica de água ou vapor é dada usando a referência de que a entropia específica da água é zero a 0,01 ° C e pressão atmosférica normal , onde s = 0,00 kJ / kg. O fato de o valor absoluto da entropia específica ser desconhecido não é um problema, no entanto, porque é a mudança na entropia específica (∆s) e não o valor absoluto que é importante nos problemas práticos.

Diagramas de entropia de temperatura – Diagramas Ts

Em geral, as fases de uma substância e os relacionamentos entre suas propriedades são mais comumente mostrados nos diagramas de propriedades . Um grande número de propriedades diferentes foi definido e existem algumas dependências entre as propriedades.

Um diagrama de entropia de temperatura ( diagrama Ts ) é o tipo de diagrama mais frequentemente usado para analisar os ciclos do sistema de transferência de energia. É usado na termodinâmica para visualizar alterações de temperatura e entropia específica durante um processo ou ciclo termodinâmico.

Isso ocorre porque o trabalho realizado pelo ou no sistema e o calor adicionado ou removido do sistema podem ser visualizados no diagrama Ts . Pela definição de entropia, o calor transferido para ou de um sistema é igual à área sob a curva Ts do processo.

dQ = TdS

Um processo isentrópico é representado como uma linha vertical em um diagrama Ts, enquanto um processo isotérmico é uma linha horizontal. Em um estado idealizado, a compressão é uma bomba, a compressão em um compressor e a expansão em uma turbina são processos isentrópicos. Portanto, é muito útil em engenharia de energia, porque esses dispositivos são usados ​​em ciclos termodinâmicos de usinas de energia.

Observe que, as premissas isentrópicas são aplicáveis ​​apenas aos ciclos ideais. Ciclos termodinâmicos reais têm perdas de energia inerentes devido à ineficiência de compressores e turbinas.

Princípio de Carnot – regra de Carnot

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

O princípio de Carnot afirma:

1. Nenhum motor pode ser mais eficiente 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.

Eficiência de Carnot

A fórmula para essa eficiência máxima é:

Onde:

• é a eficiência do ciclo de Carnot, ie é a proporção = W / Q _H do trabalho realizado pelo motor com a energia de calor que entra no sistema a partir do reservatório quente.
• T _C é a temperatura absoluta (Kelvins) do reservatório frio,
• T _H é a temperatura absoluta (Kelvin) do reservatório quente.

Eficiência de Carnot – Eficiência do mecanismo de calor de Carnot

Em 1824, o engenheiro e físico francês Nicolas Léonard Sadi Carnot avançou o estudo da segunda lei, formando um princípio (também chamado 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 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.

Eficiência de Carnot

A fórmula para essa eficiência máxima é:

Onde:

• é a eficiência do ciclo de Carnot, ie é a proporção = W / Q _H do trabalho realizado pelo motor com a energia de calor que entra no sistema a partir do reservatório quente.
• T _C é a temperatura absoluta (Kelvins) do reservatório frio,
• T _H é a temperatura absoluta (Kelvin) do reservatório quente.

Bombas centrífugas

Modos principais de falha de bombas centrífugas

Como as bombas centrífugas são um dos tipos de bombas mais amplamente utilizados no mundo, seus parâmetros operacionais e também suas vulnerabilidades são bem conhecidos. Este artigo analisa os principais modos de falha encontrados nas bombas centrífugas . Em geral, as falhas da bomba resultam em mudanças operacionais que reduzem a eficiência ou podem resultar em uma avaria da bomba. A confiabilidade dos sistemas hidráulicos e também das bombas centrífugas é da maior importância na engenharia nuclear .

Os modos de falha das bombas centrífugas podem ser agrupados em três categorias:

Modos de falha hidráulica

• Cavitação. A cavitação é, em muitos casos, uma ocorrência indesejável. Nas bombas centrífugas, a cavitação causa danos aos componentes (erosão do material), vibrações, ruídos e perda de eficiência.
• Pulsação por pressão.  Pulsações de pressão são flutuações na pressão básica. Para bombas de cabeçote alto, as pulsações de pressão de sucção e descarga podem causar instabilidade nos controles da bomba, vibração da tubulação de sucção e descarga e altos níveis de ruído da bomba.
• Recirculação da bomba. Uma bomba que opera com capacidade menor do que os limites projetados pode sofrer recirculação que ocorre internamente nas bombas. A recirculação da bomba pode causar surtos e cavitação, mesmo quando o NPSHa disponível excede o NPSHr do fornecedor por uma margem considerável.
• Impulso radial e axial. Um alto impulso radial que resulta em deflexões excessivas do eixo pode levar a problemas persistentes de vedação ou vedação mecânica e, possivelmente, falha do eixo. O impulso axial é imposto ao longo do eixo do eixo. Um impulso axial alto pode impor uma carga excessiva no rolamento.

Modos de falha mecânica

• Apreensão ou ruptura do eixo
• Falha no rolamento
• Falha no selo
• Vibrações
• Fadiga

Outros modos de falha

• Erosão
• Corrosão

As leis de afinidade – Pump Pumps

A bomba centrífuga é uma máquina muito capaz e flexível. Não é necessário projetar uma bomba específica para cada sistema específico. O desempenho da bomba centrífuga pode ser alterado pela mudança no diâmetro do impulsor ou em sua velocidade de rotação . As leis de afinidade , ou as leis da bomba , indicam como essas alterações influenciam o desempenho da bomba. Essas leis estão resumidas nos seguintes pontos.

• A vazão ou capacidade é diretamente proporcional à velocidade da bomba : dobro da velocidade / dobro do fluxo.

Q? N

• A cabeça da bomba é diretamente proporcional ao quadrado da velocidade da bomba : dobre a velocidade / multiplique a pressão por quatro.

H _p ∝ n ²

• A potência requerida pelo motor da bomba é diretamente proporcional ao cubo da velocidade da bomba : dobre a velocidade / multiplique a potência por oito.

P ∝ n ³

Esses princípios se aplicam independentemente da direção da mudança na velocidade ou no diâmetro do impulsor. Deve-se notar que as leis de afinidade fornecem resultados aproximados. Há uma discrepância entre os valores hidráulicos reais e calculados. Essa discrepância se deve a alterações na eficiência hidráulica .

Operação paralela de bombas centrífugas

Para aumentar a vazão volumétrica em um sistema ou compensar grandes perdas maiores ou menores , as bombas centrífugas são frequentemente usadas em paralelo ou em série .

A operação paralela de bombas centrífugas é usada para aumentar a vazão através do sistema. As bombas que operam em paralelo tomam sua sucção de um cabeçalho comum e descarregam em uma descarga comum . Enquanto a cabeça muda apenas um pouco, o fluxo quase dobra em qualquer ponto. Deve-se notar que a vazão volumétrica é na verdade inferior a duas vezes a vazão alcançada usando uma única bomba. Isso é causado por uma maior perda de carga do sistema resultante de uma taxa de fluxo mais alta.