O que são ciclos termodinâmicos – definição

O ciclo termodinâmico típico consiste em uma série de processos termodinâmicos que transferem calor e trabalho. Existem muitos tipos de ciclos termodinâmicos. Engenharia Térmica

Ciclos termodinâmicos

Em geral, a termodinâmica é a ciência que lida com produção, armazenamento, transferência e conversão de energia. Nosso objetivo aqui será introduzir a termodinâmica como ciência da conversão de energia . 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.

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.

Um processo que eventualmente retorna um sistema ao seu estado inicial é chamado de processo cíclico . Na conclusão de um ciclo, todas as propriedades têm o mesmo valor que tinham no início. O ciclo termodinâmico típico consiste em uma série de processos termodinâmicos que transferem calor e trabalho, variando a pressão, a temperatura e outras variáveis ​​de estado, eventualmente retornando um sistema ao seu estado inicial.

primeira lei da termodinâmica determina que a entrada líquida de calor seja igual à saída líquida de trabalho em qualquer ciclo.

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

IntE int = Q – W

Esta é a Primeira Lei da Termodinâmica e é o princípio da conservação de energia , o que significa que a energia não pode ser criada nem destruída , mas transformada em várias formas à medida que o fluido dentro do volume de controle está sendo estudado.

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 .

Os ciclos termodinâmicos podem ser divididos em duas classes principais:

  • Ciclos de energia. Ciclos de energia são ciclos que convertem alguma entrada de calor em uma saída de trabalho mecânico . Os ciclos termodinâmicos de energia são a base para a operação de motores térmicos, que executam a grande maioria dos veículos a motor e geram a maior parte da energia elétrica do mundo.
  • Ciclos da bomba de calor.  Ciclos de bomba de calor transfere calor a partir de baixo para altas temperaturas usando trabalho mecânico de entrada. Não há diferença entre termodinâmica de refrigeradores e bombas de calor. Ambos trabalham movendo o calor de um espaço frio para um espaço quente.
  • A seguinte classificação dos ciclos termodinâmicos é feita de acordo com seus processos termodinâmicos constituintes. Na prática, os ciclos termodinâmicos idealizados simples são geralmente constituídos por quatro processos termodinâmicos. Em geral, os seguintes processos geralmente constituem ciclos termodinâmicos:

    Ciclo de Carnot

    diagrama pV do ciclo de Carnot
    Diagrama pV do ciclo de Carnot. A área delimitada pelo caminho completo do ciclo representa o trabalho total que pode ser realizado durante um ciclo.

    Veja também: Ciclo de Carnot

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

    O ciclo desse mecanismo é chamado de ciclo de Carnot . Um sistema que passa por um ciclo de Carnot é chamado de mecanismo térmico de Carnot . Não é um ciclo termodinâmico real, mas é uma construção teórica e não pode ser construída na prática. Todos os processos termodinâmicos reais são de alguma forma irreversíveis . Eles não são feitos infinitamente devagar e infinitamente pequenos passos na temperatura também são uma ficção teórica. 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.

    Ciclo Otto

    Otto Cycle - Diagrama PV
    diagrama pV do ciclo Otto. A área delimitada pelo caminho completo do ciclo representa o trabalho total que pode ser realizado durante um ciclo.

    Veja também: Ciclo Otto

    Veja também: Ciclo de Atkinson

    O ciclo do mecanismo Otto é chamado de ciclo Otto . É um dos ciclos termodinâmicos mais comuns encontrados em motores de automóveis e descreve o funcionamento de um motor de pistão de ignição comandada típico. Ao contrário do ciclo de Carnot, o ciclo Otto não executa processos isotérmicos, porque estes devem ser realizados muito lentamente. Em um ciclo Otto ideal, o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos reversíveis internamente: dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com dois processos isocóricos.

    Como o princípio de Carnot afirma que nenhum motor pode ser mais eficiente do que um motor reversível ( um motor de calor Carnot ) operando entre os mesmos reservatórios de alta e baixa temperatura, o motor Otto deve ter uma eficiência mais baixa que a eficiência de Carnot. Um motor automotivo a gasolina típico opera com cerca de 25% a 30% de eficiência térmica. Cerca de 70-75% é rejeitado como calor residual sem ser convertido em trabalho útil, ou seja, trabalho entregue às rodas.

    Ciclo Diesel

    Ciclo diesel - diagrama de pV
    Ciclo diesel – diagrama de pV

    Veja também: Ciclo Diesel

    Veja também: Ciclo duplo

    O ciclo diesel é um dos ciclos termodinâmicos mais comunsencontrados em motores de automóveis e descreve o funcionamento de um motor de pistão de ignição por compressão típico. O motor Diesel é semelhante em operação ao motor a gasolina. A diferença mais importante é que:

    • Não há combustível no cilindro no início do curso de compressão; portanto, uma autoignição não ocorre nos motores a diesel.
    • O motor diesel usa ignição por compressão em vez de ignição por faísca.
    • Devido à alta temperatura desenvolvida durante a compressão adiabática, o combustível inflama espontaneamente à medida que é injetado. Portanto, não são necessárias velas de ignição.
    • Antes do início do curso de força, os injetores começam a injetar combustível diretamente na câmara de combustão e, portanto, a primeira parte do curso de força ocorre aproximadamente à pressão constante.
    • Taxas de compressão mais altas podem ser alcançadas em motores a diesel do que em motores Otto

    Ciclo de Brayton

    ciclo de Brayton fechado - pV Diagram
    ciclo de Brayton fechado

    Veja também: Ciclo de Brayton

    Veja também: Ciclo Ericsson

    Em 1872, um engenheiro americano, George Bailey Brayton, avançou no estudo de motores térmicos, patenteando um motor de combustão interna de pressão constante, inicialmente usando gás vaporizado, mas posteriormente usando combustíveis líquidos, como o querosene. Este motor térmico é conhecido como ” Motor Brayton’s Ready “ . Isso significa que o motor Brayton original usava um compressor de pistão e um expansor de pistão em vez de uma turbina a gás e um compressor de gás.

    Hoje, os modernos motores de turbina a gás e os motores a jato de respiração também são motores de calor com pressão constante; portanto, descrevemos sua termodinâmica pelo ciclo de Brayton . Em geral, o ciclo de Brayton descreve o funcionamento de um motor térmico de pressão constante .

    É um dos ciclos termodinâmicos mais comuns que podem ser encontrados em usinas de turbinas a gás ou em aviões. Ao contrário do ciclo de Carnot , o ciclo de Brayton não executa processos isotérmicos , porque estes devem ser realizados muito lentamente. Em um ciclo de Brayton ideal , o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos: dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com dois processos isobáricos.

    Ciclo Rankine

    Ciclo de Rankine - Diagrama Ts
    Ciclo de Rankine – Diagrama Ts

    Veja também: Ciclo Rankine

    Em 1859, um engenheiro escocês, William John Macquorn Rankine, avançou no estudo de motores térmicos publicando o ” Manual do motor a vapor e outros motores principais “. Rankine desenvolveu uma teoria completa do motor a vapor e, de fato, de todos os motores térmicos. Juntamente com Rudolf Clausius e William Thomson (Lord Kelvin), ele contribuiu para a termodinâmica, concentrando-se particularmente na primeira das três leis termodinâmicas. O ciclo Rankine recebeu seu nome e descreve o desempenho dos sistemas de turbinas a vapor , embora o O princípio também se aplica a motores alternativos, como locomotivas a vapor. Em geral, o ciclo de Rankineé um ciclo termodinâmico idealizado de um motor de calor com pressão constante que converte parte do calor em trabalho mecânico. Nesse ciclo, o calor é fornecido externamente a um circuito fechado, que geralmente usa água (na fase líquida e de vapor) como fluido de trabalho. Em contraste com o ciclo de Brayton , o fluido de trabalho no ciclo Rankine  passa pela mudança de fase  de uma fase líquida para vapor e vice-versa.

    Embora muitas substâncias possam ser usadas como fluido de trabalho no ciclo Rankine (inorgânico ou mesmo orgânico), a água é geralmente o fluido de escolha devido às suas propriedades favoráveis, como sua química não tóxica e não reativa, abundância e baixo custo, bem como suas propriedades termodinâmicas. Por exemplo, a água tem o calor específico mais alto de qualquer substância comum – 4,19 kJ / kg K. Além disso, possui um calor de vaporização muito alto , o que a torna um fluido de arrefecimento eficaz e médio em usinas termelétricas e outras indústrias de energia. No caso do ciclo Rankine, a Lei do Gás Idealquase não pode ser usado (o vapor não segue pV = nRT), portanto, todos os parâmetros importantes de água e vapor são tabulados nas chamadas ” Tabelas de vapor “.

    Uma das principais vantagens do ciclo Rankine é que o processo de compressão na bomba ocorre em um líquido . Ao condensar o vapor de trabalho em um líquido (dentro de um condensador), a pressão na saída da turbina é reduzida e a energia requerida pela bomba de alimentação consome apenas 1% a 3% da potência de saída da turbina, e esses fatores contribuem para uma eficiência mais alta. o ciclo.

    Hoje, o ciclo Rankine é o ciclo operacional fundamental de todas as usinas termelétricas onde um fluido operacional é continuamente evaporado e condensado. É um dos ciclos termodinâmicos mais comuns , porque na maioria dos lugares do mundo a turbina é movida a vapor.

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