Questão 1: Discuta os seguintes items:
(a) A energia obtida sob a forma de calor está
disponível para realização de trabalho?
(b) Se um processo realizado no volume de controle é reversível, o que pode ser dito a respeito do trabalho?
(c) A entropia de um volume de controle que realiza um processo reversível pode variar?
(d) Qual a relação da disponibilidade com a irreversibilidade? Qual a utilidade desses conceitos?
(a) A energia obtida sob a forma de calor está
(b) Se um processo realizado no volume de controle é reversível, o que pode ser dito a respeito do trabalho?
(c) A entropia de um volume de controle que realiza um processo reversível pode variar?
(d) Qual a relação da disponibilidade com a irreversibilidade? Qual a utilidade desses conceitos?
Passo 1
O enunciado pede para discutir quatro aspectos relacionados à termodinâmica de sistemas em volume de controle: (a) conversão de calor em trabalho, (b) trabalho em processos reversíveis, (c) variação de entropia em processos reversíveis, e (d) relação entre disponibilidade (exergia) e irreversibilidade. Vamos usar a Primeira e a Segunda Leis da Termodinâmica, o conceito de entropia e de disponibilidade/exergia.
Passo 2
Item (a): a Segunda Lei diz que nem toda energia térmica pode ser convertida integralmente em trabalho. A eficiência máxima de conversão de calor em trabalho entre duas fontes térmicas está dada pelo ciclo de Carnot. Mesmo ligando um reservatório quente diretamente ao frio, a fração máxima de calor
convertido em trabalho
é
onde
e
são as temperaturas das fontes quente e fria. Logo, nunca é possível converter
de
em
.
Passo 3
Item (b): em um volume de controle, um processo reversível é aquele sem geração interna de entropia
. Nessa situação, o trabalho extraível é máximo, pois toda irreversibilidade adicional reduziria o trabalho útil. Em geral, aplicando a Primeira e a Segunda Leis num CV,
é o valor máximo de trabalho, onde
é a temperatura de referência.
Passo 4
Item (c): num processo reversível num volume de controle, a entropia pode sim variar, desde que haja troca de calor reversível com o entorno. A variação de entropia do CV é
e não depende de irreversibilidades internas (pois
), mas pode ser diferente de zero se ocorrer transferência de calor.
Passo 5
Item (d): a disponibilidade (ou exergia) mede quanto trabalho útil pode ser extraído a partir de um sistema em um ambiente de referência. A irreversibilidade destrói exergia segundo
onde
é a entropia gerada. Quanto maior a irreversibilidade, maior a exergia destruída, menor a disponibilidade final. Esses conceitos são úteis para quantificar perdas, otimizar ciclos termodinâmicos e melhorar a eficiência real de usinas, motores e processos químicos.
Resposta
(a) Não. A Segunda Lei impõe que apenas uma fração
do calor possa virar trabalho.
(b) Se o processo é reversível , o trabalho extraível é máximo, pois qualquer irreversibilidade reduziria o trabalho útil.
(c) Sim. Num processo reversível em CV, a entropia varia conforme , podendo ser diferente de zero sempre que houver calor trocado reversivelmente.
(d) A disponibilidade (exergia) cai com a irreversibilidade segundo . Esses conceitos permitem quantificar perdas e otimizar sistemas termodinâmicos, melhorando eficiência e apontando onde ocorrem os maiores desperdícios.
(b) Se o processo é reversível
(c) Sim. Num processo reversível em CV, a entropia varia conforme
(d) A disponibilidade (exergia) cai com a irreversibilidade segundo