Ciclo termodinâmico

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Um ciclo termodinâmico se constitui de qualquer série de processos termodinâmicos tais que, ao transcurso de todos eles, o sistema regresse a seu estado inicial; ou seja, que a variação das grandezas termodinâmicas próprias do sistema seja nula.

Um fato característico dos ciclos termodinâmicos é que a lei da conservação de energia dita que: a soma de calor e trabalho recebidos pelo sistema deve ser igual à soma de calor e trabalho realizados pelo sistema.

O círculo da imagem representa um sistema que evolui através de ciclos termodinâmicos.


Trabalho[editar | editar código-fonte]

Num ciclo termodinâmico, o trabalho (W) realizado é, por definição, equivalente à área interna ao ciclo num diagrama pressão x volume:

 \text{(1)} \qquad W = \oint P \ dV

O trabalho equivale à diferença entre o calor absorvido e o calor rejeitado no ciclo:

 \text{(2)} \qquad W = Q = Q_{a} - Q_{r}

É pertinente notar que o sentido em que ocorrem os processos, ou seja as direções das setas no diagrama pressão x volume, determinam se o trabalho é positivo ou negativo. Estas duas possibilidades discriminam os ciclos em duas classes principais: os ciclos motores que transformam calor em trabalho positivo e as bombas de calor que consomem trabalho, permitindo absorver calor de fonte fria.

Diagrama pressão x volume de um ciclo termodinâmico.

Segue um exemplo de trabalho mecânico realizado em um motor de calor, composto por 4 processos termodinâmicos:

 \text{(3)} \qquad  W = W_{1\to 2} + W_{2\to 3} + W_{3\to 4} + W_{4\to 1}
 W_{1\to 2} = \int_{V_1}^{V_2} P \, dV, \, \, \text{negativo, trabalho realizado sobre o sistema}
 W_{2\to 3} = \int_{V_2}^{V_3} P \, dV, \, \, \text{trabalho nulo se V2 for igual a V3}
 W_{3\to 4} = \int_{V_3}^{V_4} P \, dV, \, \, \text{positivo, trabalho realizado pelo sistema}
 W_{4\to 1} = \int_{V_4}^{V_1} P \, dV, \, \, \text{trabalho nulo se V4 for igual a V1}

Se nenhuma mudança de volume ocorrer nos processos 4->1 e 2->3, a equação (3) se torna:

 \text{(4)} \qquad  W = W_{1\to 2} + W_{3\to 4}


Ciclo de Carnot geral em função da temperatura e a entropia.

Obtenção de trabalho[editar | editar código-fonte]

A obtenção de trabalho a partir de duas fontes térmicas com diferença de temperatura é empregada para produzir movimento, por exemplo, nos motores ou nos alternadores empregados na geração de energia elétrica. O rendimento é o principal parâmetro que caracteriza um ciclo termodinâmico e é definido como o trabalho obtido dividido pelo calor gasto no processo, em um mesmo tempo de ciclo completo, se o processo é contínuo.

Este parâmetro é diferente segundo os múltiplos tipos de ciclos termodinâmicos que existem, mas é limitado pelo fator ou rendimento (eficiência) do ciclo.

Ciclos[editar | editar código-fonte]

Ciclos termodinâmicos são a base de operação de motores de calor, que operam grande parte dos veículos automotores. Ciclos termodinâmicos podem ser divididos de acordo com o tipo de motor de calor que eles desejam modelar. Os ciclos mais comuns são os que modelam motores de combustão interna. O ciclo de Otto modela motores à gasolina, O ciclo Diesel modela motores à diesel. Ciclos que modelam motores de combustão externa incluem o ciclo de Brayton, que modela turbinas de gás, e o ciclo de Rankine, que modela turbinas de vapor.


Ciclo Ideal[editar | editar código-fonte]

Ilustração de um ciclo ideal de bomba de calor(flechas no sentido horário).

Um ciclo ideal consiste em:

  1. Topo e base do ciclo: par de processos isobáricos
  2. Esquerda e direita do ciclo: par de processos isocóricos


Ciclos inversos e Bomba de calor[editar | editar código-fonte]

Um ciclo termodinâmico inverso busca o contrário do ciclo termodinâmico de obtenção de trabalho. Aporta-se trabalho externo ao ciclo para conseguir que a transferência de calor se produza da fonte mais fria à mais quente.

Ciclos de bomba de calor são modelos termodinâmicos aplicados em bombas de calor e refrigeradores.A diferença entre os dois é que bombas de calor são feitas para manter um local quente, enquanto refrigeradores são feitos para refrigerá-lo. O ciclo de refrigeração mais simples é o de compressão de vapor, que modela sistemas usando refrigeradores que mudam de fase.Ciclos de refrigeração de gás incluem o ciclo de Brayton reverso e o ciclo de Hampsom-Linde.


Ciclos termodinâmicos conhecidos[editar | editar código-fonte]

Na prática, ciclos termodinâmicos idealizados simples são geralmente compostos por quatro prcessos termodinâmicos. A princípio, qualquer processo pode ser usado, no entanto, quando ciclos idealizados são modelados, geralmente se mantém uma das variáveis de instância constante, como nos seguintes processos: processo isotérmico (temperatura constante), processo isobarico (pressão constante), processo isocórico (volume constante), processo isotrópico (entropia constante) ou processo entalpico (entalpia constante). Geralmente processos adiabáticos (onde não há troca de calor) também são usados. Alguns exemplos de processos termodinâmicos e os processos que os compõem:

Ciclo Processo 1-2
(Compressão)
Processo 2-3
(Adição de Calor)
Processo 3-4
(Expansão)
Processo 4-1
(Rejeição de calor)
Notas
Ciclos geralmente com Combustão externa - ou ciclos de bomba de calor:
Bell Coleman adiabático isobárico adiabático isobárico Ciclo de Brayton reverso
Carnot isotrópico isotermo isotrópico isotermo
Ericsson isotermo isobárico isotermo isobárico o segundo Ciclo Ericsson de 1853
Rankine adiabático isobárico adiabático isobárico Motor a vapor
Scuderi adiabático pressão e volume variáveis adiabático isocórico
Stirling isotermo isocórico isotermo isocórico
Stoddard adiabático isobárico adiabático isobárico
Ciclos geralmente com Combustão interna:
Brayton adiabático isobárico adiabático isobárico Motor de jatos
A primeira versão de combustão externa desse ciclo é conhecida como o primeiro Ciclo Ericsson de 1833
Diesel adiabático isobárico adiabático isocórico
Lenoir isobárico isocórico adiabático Jatos de pulso
(Nota: Processo 1-2 realiza ambos rejeição de calor e de compressão)
Otto adiabático isocórico adiabático isocórico Motores a gasolina / petróleo



Referências[editar | editar código-fonte]

  • Halliday,D., Resnick,R.,Walker,J.; Física, Vol. 2, Livros Técnicos e Científicos Editora, Rio de Janeiro, 1996
  • Tipler, P.A.; Física (Para Cientistas e Engenheiros), Vol.2 , Gravitação Ondas e Termodinâmica, 3a Ed., Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 1995
  • Gaspar,A.; Física, Vol. 2, Ondas, Óptica e termodinâmica, 2a Ed., Ática Editora S.A., São Paulo, 2009
  • Chaves,A.; Física, Vol. 4, Sistemas Complexos e Outras Fronteiras, 1a Ed., Reichmann & Affonso Ed.,2001