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 :
- 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 .
- 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
- 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.
- 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:
Como Q C = ∆ST C e Q H = HST H , 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.
Veja também: Causas de ineficiências
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:
η th = 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
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