Agora que a análise inicial da usina de potência foi concluída com base na Primeira Lei da Termodinâmica, vamos aprofundar o estudo aplicando a Segunda Lei da Termodinâmica e o conceito de entropia. Neste trabalho, o foco será avaliar a eficiência da turbina utilizando o conceito de eficiência isentrópica. A análise permitirá identificar onde ocorrem as maiores perdas de energia e avaliar o impacto das condições operacionais no desempenho termodinâmico da usina.
Baseado nos cálculos da eficiência isentrópica e da variação de entropia, qual é o principal fator responsável pela queda de desempenho da turbina?

Passo 1

O enunciado nos convida a relacionar a eficiência isentrópica da turbina e a variação de entropia entre entrada e saída para apontar o que mais prejudica seu desempenho. O conteúdo envolve a definição de eficiência isentrópica e o conceito de geração de entropia (irreversibilidades) no processo de expansão da turbina.

Passo 2

Definimos a eficiência isentrópica \eta_{is} como a razão entre o trabalho real obtido e o trabalho ideal (isentálpico):
\eta_{is} \;=\;\frac{h_1 - h_{2,\text{real}}}{h_1 - h_{2,\text{s}}}
onde
h_1 é a entalpia na entrada da turbina,
h_{2,\text{real}} é a entalpia na saída real,
h_{2,\text{s}} é a entalpia na saída em processo isentrópico (mesma entropia de entrada).

Passo 3

Num processo real a entropia do fluido aumenta, isto é,
\Delta s = s_{2,\text{real}} - s_1 \;>\;0,
enquanto no processo isentrópico teríamos \Delta s =0. A geração de entropia
\Delta s_{\text{gen}} = s_{2,\text{real}} - s_{2,\text{s}}
mede todas as irreversibilidades internas (atrito, turbulência, gradientes de pressão e transferência de calor irreversível).

Passo 4

Quanto maior \Delta s_{\text{gen}}, menor \eta_{is}, pois parte da energia disponível é “desperdiçada” para vencer perdas internas e não convertida em trabalho útil. As principais fontes dessas irreversibilidades na turbina são:
• Atrito viscoso do escoamento contra as pás.
• Turbulência e recirculação dentro dos canais de expansão.
• Transferência de calor em diferenças de temperatura finitas.
• Possível presença de gotas de líquido (condensação) provocando choques e erosão.

Resposta

O principal fator responsável pela queda de desempenho da turbina é a geração de entropia interna (irreversibilidades) — sobretudo as perdas por atrito e turbulência no escoamento e as trocas de calor irreversíveis — que reduz a eficiência isentrópica.

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