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O que é Expansão Isentrópica – Compressão Isentrópica – Definição

Expansão Isentrópica – Compressão Isentrópica. O estudo de processos isentrópicos é de importância na termodinâmica de usinas termelétricas. Especialmente em turbinas a gás. Engenharia Térmica

Expansão isentrópica – compressão isentrópica para gases ideais

Um processo isentrópico é um processo termodinâmico , no qual a entropia do fluido ou gás permanece constante. Isso significa que o processo isentrópico é um caso especial de um processo adiabático no qual não há transferência de calor ou matéria. É um processo adiabático reversível .

Expansão e compressão de gases ideais

Veja também: O que é um gás ideal

Num gás ideal , as moléculas não têm volume e não interagem. De acordo com a lei ideal dos gases , a pressão varia linearmente com a temperatura e a quantidade e inversamente com o volume .

pV = nRT

Onde:

  • p é a pressão absoluta do gás
  • n é a quantidade de substância
  • T é a temperatura absoluta
  • V é o volume
  • R  é a constante de gás ideal, ou universal, igual ao produto da constante de Boltzmann e da constante de Avogadro,

Nesta equação, o símbolo R é uma constante chamada constante universal de gás que tem o mesmo valor para todos os gases – ou seja, R = 8,31 J / mol K.

processo isentrópico (um caso especial de processo adiabático) pode ser expresso com a lei dos gases ideais como:

pV κ = constante

ou

1 V k = p 2 V k

em que κ = c p / c v é a proporção de aquecimentos específicos (ou capacidades de calor ) para o gás. Um para pressão constante (c p ) e outro para volume constante (c v ) . Observe que essa razão κ  = c p / c v é um fator na determinação da velocidade do som em um gás e em outros processos adiabáticos.

Outra relação p, V, T

relação p, V, T - processo isentrópico

Em um diagrama de pV , o processo ocorre ao longo de uma linha (chamada adiabat ) que possui a equação p = constante / V κ . Para um gás ideal e um processo politrópico, o caso n = κ corresponde a um processo isentrópico.  

Processo isentrópico - características
Tabela de características principais

Veja também: Primeira lei da termodinâmica

Veja também: Lei do gás ideal

Veja também: O que é entalpia

Exemplo: Expansão Isentrópica na Turbina a Gás

Diagrama PV - processo isentrópico
Diagrama PV de uma expansão isentrópica de hélio (3 → 4) em uma turbina a gás.

Assuma uma expansão isentrópica de hélio ( 3 → 4 ) em uma turbina a gás . Como o hélio se comporta quase como um gás ideal , use a lei do gás ideal para calcular a temperatura de saída do gás ( 4, é ). Nessas turbinas, o estágio de alta pressão recebe gás (ponto 3 na figura; p 3 = 6,7 MPa ; 3 = 1190 K (917 ° C)) de um trocador de calor e o esgota em outro trocador de calor, onde a pressão de saída é p 4 = 2,78 MPa (ponto 4) .

Solução:

A temperatura de saída do gás, T 4, é , pode ser calculada usando a relação p, V, T para o processo isentrópico (processo adiabático reversível):

relação p, V, T - processo isentrópico

Nesta equação, o fator para o hélio é igual a κ = c p / c v = 1,66 . A partir da equação anterior, segue que a temperatura de saída do gás, 4 , é:

processo isentrópico - exemplo

Exemplo: Expansão Isentrópica na Turbina a Gás

primeira lei - exemplo - ciclo de brayton
O ciclo ideal de Brayton consiste em quatro processos termodinâmicos. Dois processos isentrópicos e dois processos isobáricos.

Vamos assumir o  ciclo de Brayton ideal  que descreve o funcionamento de um  motor de calor com pressão constante  . Os modernos  motores de turbina a gás e os motores a  jato de respiração  também seguem o ciclo de Brayton.

O ciclo ideal de Brayton consiste em quatro processos termodinâmicos. Dois processos isentrópicos e dois processos isobáricos.

  1. compressão isentrópica  – o ar ambiente é aspirado para o compressor, onde é pressurizado (1 → 2). O trabalho necessário para o compressor é dado por  C  = H 2  – H 1 .
  2. adição de calor isobárico  – o ar comprimido passa por uma câmara de combustão, onde o combustível é queimado e o ar ou outro meio é aquecido (2 → 3). É um processo de pressão constante, já que a câmara está aberta para entrar e sair. O calor líquido adicionado é dado por  add  = H  – H 2
  3. expansão isentrópica  – o ar aquecido e pressurizado se expande na turbina, gasta sua energia. O trabalho realizado pela turbina é dado por  T  = H 4  – H 3
  4. rejeição de calor isobárica  – o calor residual deve ser rejeitado para fechar o ciclo. O calor líquido rejeitado é dado por  re  = H  – H 1

Como pode ser visto, podemos descrever e calcular (por exemplo, eficiência térmica ) esses ciclos (da mesma forma para o  ciclo de Rankine ) usando  entalpias .

Veja também: Eficiência térmica do ciclo de Brayton

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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: translations@nuclear-power.com ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.