O que é a eficiência de Carnot – Eficiência do mecanismo de aquecimento de Carnot – Definição

Exemplo: eficiência de Carnot para usina a carvão

Em uma moderna usina a carvão , a temperatura do vapor de alta pressão (T _quente ) seria de cerca de 400 ° C (673K) e T _fria , a temperatura da água da torre de resfriamento, seria de cerca de 20 ° C (293K). Para este tipo de usina, a eficiência máxima (ideal) será:

= 1 – T _frio / T _quente = 1 – 293/673 = 56%

É preciso acrescentar que essa é uma eficiência idealizada . A eficiência de Carnot é válida para processos reversíveis. Esses processos não podem ser alcançados em ciclos reais de usinas. A eficiência de Carnot determina que maiores eficiências podem ser alcançadas aumentando a temperatura do vapor. Esse recurso também é válido para ciclos termodinâmicos reais. Mas isso requer um aumento nas pressões dentro de caldeiras ou geradores de vapor . No entanto, considerações metalúrgicas impõem limites superiores a essas pressões. As usinas subcríticas de combustíveis fósseis, que são operadas sob pressão crítica (ou seja, inferiores a 22,1 MPa), podem atingir uma eficiência de 36 a 40%. Projetos supercríticos, que são operados sob pressão supercrítica(ou seja, superior a 22,1 MPa), têm eficiências em torno de 43%. As usinas elétricas a carvão mais eficientes e também muito complexas, operadas a pressões “ultra-críticas” (ou seja, cerca de 30 MPa) e que utilizam reaquecimento em vários estágios, atingem cerca de 48% de eficiência.

Veja também: Reator supercrítico

Causas de ineficiência

Como foi discutido, uma eficiência pode variar entre 0 e 1. Cada mecanismo térmico é de alguma forma ineficiente. Essa ineficiência pode ser atribuída a três causas.

• Irreversibilidade de processos . Existe um limite superior teórico geral para a eficiência da conversão de calor em trabalho em qualquer motor térmico. Esse limite superior é chamado de eficiência de Carnot . De acordo com o princípio Carnot , 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. Por exemplo, quando o reservatório quente tiver T _quente de 400 ° C (673K) e T _frio de cerca de 20 ° C (293K), a eficiência máxima (ideal) será: = 1 – T _frio / T _quente = 1 – 293 / 673 = 56%. Mas todos os processos termodinâmicos reais são de alguma forma irreversíveis. Eles não são feitos infinitamente devagar. 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.
• Presença de fricção e perdas de calor. Em sistemas termodinâmicos reais ou em motores térmicos reais, uma parte da ineficiência geral do ciclo é devida às perdas dos componentes individuais. Em dispositivos reais (como turbinas, bombas e compressores), um atrito mecânico , perdas de calor e perdas no processo de combustão causam mais perdas de eficiência.
• Ineficiência do projeto . Finalmente, a última e também importante fonte de ineficiências provém dos compromissos assumidos pelos engenheiros ao projetar um motor térmico (por exemplo, usina). Eles devem considerar o custo e outros fatores no design e operação do ciclo. Como exemplo, considere um projeto do condensador nas usinas termelétricas. Idealmente, o vapor descarregado no condensador não teria sub-resfriamento . Mas os condensadores reais são projetados para sub-resfriar o líquido em alguns graus Celsius, a fim de evitar a cavitação de sucção nas bombas de condensado. Porém, esse sub-resfriamento aumenta a ineficiência do ciclo, porque é necessária mais energia para reaquecer a água.