O que é termodinâmica – definição

Termodinâmica é a ciência que lida com produção, armazenamento, transferência e conversão de energia. A termodinâmica estuda os efeitos do trabalho, calor e energia em um sistema. Engenharia Térmica

Termodinâmica

termodinâmica - equação de BoltzmanO conhecimento da termodinâmica é essencial para os engenheiros nucleares , que lidam com reatores de energia nuclear . Uma usina nuclear ( usina nuclear) se parece com uma usina termelétrica padrão, com uma exceção. A fonte de calor na usina nuclear é um reator nuclear . Como é típico em muitas centrais térmicas convencionais, o calor é usado para gerar vapor que aciona uma turbina a vapor conectada a um gerador que produz eletricidade.

Termodinâmica é a ciência que lida com produção, armazenamento, transferência e conversão de energia. Ele estuda os efeitos do trabalho , calor e energia em um sistema. Apesar de ser um assunto muito amplo que afeta a maioria dos campos da ciência, incluindo biologia e microeletrônica, nos preocuparemos principalmente com observações em larga escala. Interações em pequena escala serão descritas na teoria cinética dos gases.Historicamente, a termodinâmica nasceu no século 19, quando os cientistas descobriram como construir e operar motores a vapor . Particularmente através do trabalho do físico francês Nicolas Léonard Sadi Carnot, que introduziu o conceito do ciclo do motor térmico e o princípio da reversibilidade em 1824. O físico escocês Lord Kelvin foi o primeiro a formular uma definição concisa da termodinâmica em 1854. O trabalho de Carnot dizia respeito à limitações na quantidade máxima de trabalho que pode ser obtida de um motor a vapor operando com uma transferência de calor a alta temperatura como força motriz. Nos anos posteriores, as leis da termodinâmica foram desenvolvidas. Termodinâmicabaseia-se principalmente em um conjunto de quatro leis que são universalmente válidas quando aplicadas a sistemas que se enquadram nas restrições implícitas por cada uma.

termodinâmica de engenharia
Ciclo de Rankine – Termodinâmica como ciência de conversão de energia

A termodinâmica é um ramo da física e uma ciência da engenharia . O físico normalmente está interessado em obter uma compreensão fundamental do comportamento físico e químico de quantidades fixas de matéria em repouso e usa as leis da termodinâmica para relacionar as propriedades da matéria. Os engenheiros geralmente estão interessados ​​em estudar sistemas de energia e como eles interagem com o ambiente. Para facilitar isso, os engenheiros estendem o assunto da termodinâmica ao estudo de sistemas abertos , nos quais calor, trabalho e massa podem ser direcionados para dentro ou fora do volume de controle.

Nosso objetivo aqui será introduzir a termodinâmica como ciência da conversão de energia , introduzir alguns dos conceitos e definições fundamentais que são usados ​​no estudo da termodinâmica de engenharia . Esses conceitos e definições fundamentais serão aplicados posteriormente a sistemas de energia e, finalmente, a usinas térmicas ou  nucleares .

Descrição da usina nuclear
Principais características das usinas nucleares com reator do tipo PWR (Reator de Água Pressurizada).

Uma usina nuclear típica tem uma capacidade de geração elétrica de 1000 MWe . A fonte de calor na usina nuclear é um reator nuclear . Como é típico em todas as centrais térmicas convencionais, o calor é usado para gerar vapor que aciona uma turbina a vapor conectada a um gerador que produz eletricidade. As turbinas são motores térmicos e estão sujeitas às limitações de eficiência impostas pela segunda lei da termodinâmica . Nas usinas nucleares modernas, a eficiência termodinâmica geral é de cerca de um terço (33%), de modo que são necessários 3000 MWth de energia térmica da reação de fissão para gerar 1000 MWe de energia elétrica.

Nas seções seguintes, trataremos do problema, como transformar a energia térmica gerada dentro do reator em energia elétrica da maneira mais eficaz .

Leis da Termodinâmica

Existem quatro leis da termodinâmica que definem quantidades físicas fundamentais (temperatura, energia e entropia) e que caracterizam os sistemas termodinâmicos em equilíbrio térmico . Essas são consideradas uma das leis mais importantes de toda a física. As leis são as seguintes:

Lei zero da termodinâmica:

Se dois sistemas estão em equilíbrio térmico com um terço, eles estão em equilíbrio térmico entre si.  

Esta lei fornece uma definição e método para definir temperaturas, talvez a propriedade intensiva mais importante de um sistema ao lidar com problemas de conversão de energia térmica.

Primeira lei da termodinâmica:

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

Esta lei é o princípio da conservação de energia . 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 . Daqui resulta que máquinas de movimento perpétuo do primeiro tipo são impossíveis.

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. Daqui resulta que máquinas perpétuas de movimento do segundo tipo são impossíveis.

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, essa lei afirma que a entropia de uma substância cristalina pura é zero no zero absoluto da 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.

Versão popular das leis da termodinâmica

0. Você deve jogar o jogo.

1. Você não pode vencer; você só pode empatar.

2. Você só pode empatar no zero absoluto.

3. Você não pode alcançar o zero absoluto.

Propriedades extensivas – propriedades intesivas

  • Propriedades extensivas – propriedades intesivas
  • Propriedades Específicas

O que é energia

O sol
O Sol gera sua energia por fusão nuclear de núcleos de hidrogênio em hélio. Em sua essência, o Sol funde 620 milhões de toneladas métricas de hidrogênio a cada segundo.
Fonte: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

O termo energia é muito amplo e possui muitas definições. Tecnicamente, energia é uma quantidade física escalar que está associada ao estado de um ou mais objetos. A energia é geralmente definida como o potencial de trabalhar ou produzir calor . Às vezes, é como a “moeda” para executar o trabalho. Você deve ter energia para realizar o trabalho. Para executar 1 quilojoule de trabalho, você deve gastar 1 kilojoule de energia. É preciso acrescentar que essa interpretação pode ser enganosa porque a energia não está necessariamente disponível para o trabalho.

Uma das propriedades mais maravilhosas do universo é que a energia pode ser transformada de um tipo para outro e transferida de um objeto para outro. Além disso, quando transformado de um tipo para outro e transferido de um objeto para outro, a quantidade total de energia é sempre a mesma . É uma das propriedades elementares do universo.

Por exemplo, queimar gasolina para abastecer carros é um processo de conversão de energia em que confiamos. A energia química da gasolina é convertida em energia térmica , que é convertida em energia mecânica que faz o carro se mover. A energia mecânica foi convertida em energia cinética . Quando usamos os freios para parar um carro, essa energia cinética é convertida por fricção de volta ao calor, ou energia térmica .

Motores térmicos

Exemplo de motor térmico
O ciclo Rankine descreve de perto os processos em motores térmicos a vapor comumente encontrados na maioria das usinas termelétricas.

As fontes de energia  sempre desempenharam um papel muito importante no desenvolvimento da sociedade humana. A energia  é geralmente definida como o  potencial de  trabalhar  ou produzir  calor . Às vezes, é como a “moeda” para executar o trabalho. Uma das propriedades mais maravilhosas do universo é que a  energia pode ser transformada de um tipo para outro  e  transferida de um objeto para outro .

Em geral, é fácil produzir  energia térmica  realizando trabalhos , por exemplo, por qualquer processo de atrito. Mas  conseguir trabalho com energia térmica  é mais  difícil . Está intimamente associado ao  conceito de entropia . Por exemplo, a eletricidade é particularmente útil, pois possui  entropia muito  baixa  (é altamente ordenada) e pode ser convertida em outras formas de energia com  muita eficiência .

Às vezes,  a energia mecânica  está diretamente disponível, por exemplo, energia eólica e hidrelétrica. Mas a maior parte de nossa energia vem da queima de  combustíveis fósseis  (carvão, petróleo e gás) e de  reações nucleares . 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.

Em geral, um  motor térmico  é um dispositivo que converte energia química em calor ou energia térmica e depois em energia mecânica ou em energia elétrica.

O ciclo Rankine descreve de perto os processos em motores térmicos a vapor comumente encontrados na maioria das usinas termelétricas.

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.
Por exemplo, como é típico em todas as usinas térmicas convencionais  ,  o calor é usado para gerar  vapor  que aciona uma  turbina a vapor  conectada a um gerador que produz eletricidade. Geradores de vapor, turbinas a vapor, condensadores e bombas de água de alimentação constituem um  motor térmico , sujeito às limitações de eficiência impostas pela  segunda lei da termodinâmica . Nas modernas  usinas nucleares,  a eficiência termodinâmica geral é de cerca de um terço  (33%), então são necessários  3000 MWth  de energia térmica da reação de fissão para gerar  1000 MWe  de energia elétrica.

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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: [email protected] ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.