7. Exergia
Conteúdos do capítulo: •
Análise exergética.
•
Princípios da conservação da massa e da energia.
•
Projeção e análise de sistemas térmicos.
•
Efciência energética, sustentabilidade e meio ambiente.
Após o estudo estud o deste capítulo, você você será capaz de: 1. dominar os conceitos relacionados à análise exergética, incluindo
ambiente de referência para exergia, estado morto, transferência de exergia e destruição de exergia; 2. determinar a exergia em um estado e a variação de exergia entre
dois estados, utilizando adequadamente os dados de propriedades termodinâmicas; 3. aplicar balanços de exergia em sistemas fechados e abertos (volumes
de controle).
Exergia
A
Quando dois sistemas, em diferentes esta-
análise de exergia é um método que usa
dos (e com potenciais diferentes), são coloca-
os princípios da conservação da massa e da
dos em contato, existe uma oportunidade para
energia juntamente com a segunda lei da ter-
realizar trabalho. Quando um deles é um sis-
modinâmica para o projeto e a análise de sis-
tema adequadamente idealizado (ambiente) e
temas térmicos. Outro termo frequentemente
o outro é um sistema de interesse, a exergia
aplicado para identicar análise exergética é a
representa o máximo trabalho teórico obtido
análise de disponibilidade disponibilidade..
quando ambos interagem até o equilíbrio. Essa
É aparente a importância do desenvolvi-
é a denição de exergia e que se completará
mento de sistemas térmicos que fazem uso efe-
com a denição de ambiente e de como pode-
tivo de recursos não renováveis, como petróleo, gás natural e combustíveis sólidos. O método de
análise de exergia é particularmente adequado para favorecer uma utilização mais eciente dos recursos, uma vez que permite que localizações, tipos e magnitudes de desperdício e perda sejam determinados. Essa informação pode ser usada para projetar sistemas térmicos mais ecientes, reduzir fontes de ineciência em sistemas exis-
mos associar valores numéricos a exergia.
Um exemplo simples, cotidiano, e muito abordado pela literatura para ilustrar a exegia é composto por um sistema que consiste em um pequeno tanque com combustível e um queimador ligado a ele, envolto por uma grande quan-
tidade de ar xada como sistema, conforme demonstramos na Figura 7.1.
tentes e avaliar a termoeconomia do sistema. Figura 7.1
Ilustração utilizada para o conceito de exergia Fronteira do sistema isolado
Ar a uma temperatura T i
Combustível
(a)
168
Ar e produtos de combustão a uma temperatura T i + ΔT
Combustível
(b) (c) Tempo Qualidade de energia constante Potencial de uso diminui Valor econômico descrece
7
Apesar de, durante a
exergia é o maior trabalho teórico possível de ser obtido
queima, o sistema manter a
quando um ambiente de referência de exergia interage com
energia constante, com o pas-
o sistema de interesse, permitindo permit indo que eles atinjam o ponto
sar do tempo o potencial ener-
de equilíbrio ( Borgnakke Borgnakke;; Sonntag, 2013).
gético do combustível diminui até a extinção. A energia é conservada, mas o potencial ener-
gético da mistura combustível-ar é muito maior que a do
ar resultante levemente aque-
cido. É possível utilizar esse combustível de forma mais ee ciente para a produção de trabalho – por exemplo, gerando
vapor ou elevando a pressão sob um cilindro.
No caso da Figura 7.1, a energia em (a) é mais útil do
que em (c), pois naquele ela tem um potencial maior de uso. Em (c), o potencial de uso
foi largamente destruído, em razão da natureza irreversível
do processo. Diferentemente da energia, a exergia não é conservada. Ela pode ser des-
truída ou mesmo transferida de um sistema a outro.
Em uma análise exer-
7.1
Definindo o ambiente de referência
O ambiente é defnido como uma porção das vizinhanças do sistema na qual as propriedades intensivas são uniformes e não se alteram signicativamente como resultado de qualquer
processo em consideração. O ambiente é grande em extensões
e visto como livre de irreversibilidades. As irreversibilidades estarão presentes dentro dos sistemas ou nas suas vizinhanças próximas. O ambiente é modelado aqui, com um sistema simples compressível que é grande em extensão e unifor me na temperatura T0 e pressão p 0 (T0 = 25 °C e p 0 = 1 atm). As propriedades extensivas do ambiente podem se s e alterar em decorrência de interações
com os sistemas, ou seja, E amb, V amb e Samb podem sofrer modifcações. Usando a conservação de energia para o ambiente (estacionário e imóvel, energia cinética e potencial nulas): Eamb
=
Qamb
-
Wamb
(7.1)
Como na segunda lei da termodinâmica para denição de calor e trabalho, temos:
d(U + Ec + Ep )amb
=
TdSamb − pd∀amb
(7.2)
gética, o objetivo é localizar locais onde ocorrem perdas e destruição de exergia para
Temos, então: ∆Uamb =
T0 ∆Samb − p0 ∆Vamb
(7.3)
ranqueá-los. Dessa forma,
169
Exergia
7.2
O
Definindo o “estado morto”
estado restrito,
morto,
ou
Figura 7. 2
Sistema combinado composto pelo ambiente e pelo sistema fechado
estado
Sistema fechado
é o estado que ocorre
quando o sistema está nas mes-
W c
mas condições que o ambiente, Fronteira do sistema
não havendo mais quaisquer oportunidades de realização de
Interações de calor e trabalho com o ambiente
trabalho, uma vez que o equilíbrio entre sistema e ambiente
Ambiente a T 0 e p0
tenha sido obtido.
7.3
Avaliando a exergia
Considere um sistema combi-
Fronteira do sistema combinado
Observe que a transferência de calor ocorre apenas em seu interior. Dessa forma, realizando um balanço de energia, temos:
(
)
∆Ec = 0 − Wc ∴ ∆Ec = E f −E + ∆Uamb = U0 −E + ∆Uamb
nado, formado pelo sistema
(7.4)
Mas,
de interesse e mais o ambiente, como mostramos na Figura
∆Uamb =
7. 2 indicada a seguir.
T0 ∆Samb − p0 ∆Vamb
(7.5)
Então,
Wc
=
(E − U0 ) − ( T0 ∆Samb − p0 ∆Vamb )
(7.6)
Como o volume do sistema combinado é constante, temos: Vc
170
=
V + Vamb ∴∆Vc
=
0 = ∆Vamb
+
( V0 − V) ∴ ∆Vamb = (V − V0 )
(7.7)
7
será obtido quando as irreversibilidades não
Dessa forma, chegamos a:
Wc
=
(E − U0 ) + p0 (V − V0 ) − T0 ∆Samb
(7.8)
existirem e a geração de entropia for nula, ou seja, quando T0sc = 0.
Nessa expressão, Wc representa o trabalho
Desse modo, finalmente chegamos à
desenvolvido pelo sistema combinado, quando
expressão para a exergia do sistema, denomi-
o sistema fechado passa para o “estado mor to”,
nada de A, de forma a não ser confundida com
enquanto interage apenas com o ambiente.
a energia:
Escrevendo um balanço de entropia entropi a para o
A = Wc
=
sistema combinado, temos: ∆Sc = ∆S + ∆Samb =
Q T
+ σc
(7.9)
(E
−
U0 ) + p0 ( V − V0 ) − T0 ( S − S 0 ) (7.13)
A exergia pode também ser visualizada como o trabalho mínimo necessário a ser efetuado sobre o sistema fechado para levá-lo do
Como Q = 0, então: ∆S c = σ c
“estado morto” à sua dada condição. (7.10)
tamento do estado de um dado sistema
Logo:
(
A exergia é uma forma de medir o afas-
fechado em relação ao estado do ambiente.
)
∆Sc = S 0 − S + ∆Samb = σ c
(7.11)
Adotando-se valores para o estado do ambiente, a exergia pode ser imaginada como uma pro-
Substituindo a equação 7.11 na equação 7.8, temos: Wc
=
(E
priedade do sistema.
Em termos de propriedades intensivas, −
U0 ) + p0 ( V − V0 ) − T0 ( S − S0 ) − T0σ c (7.12)
a exergia pode ser expressa em termos mássicos, na forma:
O último termo do lado direito da expressão 7.12 é o único termo que depende da natureza do processo. Todos os demais dependem
a = (e − u0 ) + p 0 ( v − v 0 ) − T0 ( s − s 0 )
(7.14)
Como:
apenas dos estados iniciais e fnais (“estado morto”); inclusive, independem independem dos detalhes do processo que está ocorrendo.
Fica evidente, na equação 7.12, que o máximo trabalho teórico do sistema sis tema combinado
e = u+
w2 2
+
g·z
(7.15)
Exergia
Então: a = (u − u0 ) + p0 ( v − v 0 ) − T0 ( s − s0 ) +
w2 2
+
(7.16)
g· z
E a variação de exergia entre dois estados em um sistema fechado como: A 2 − A 1 = (E2 − E1) + p0 ( v2 − v1) − T0 ( S 2 − S 1)
7.4
(7.17)
Balanço de exergia para sistemas fechados
O balanço de exergia para um sistema fechado é desenvolvido combinando o balanço de energia e o balanço de entropia para sistemas fechados. O balanço de energia é: (7.18)
E o balanço de entropia: 2 Q +σ ∆S = T 1 b
∫
(7.19)
Na equação, W e Q representam, respectivamente, respecti vamente, o trabalho e a transferência de calor entre o sistema e as suas vizinhanças. No balanço de entropia, o índice “b” signifca que a temperatura e o calor ocorrem na fronteira. Como um primeiro passo para a obtenção do balanço de exergia, multiplicamos toda a expres são do balanço de entropia por T0 , de forma que todos os termos tenham a mesma unidade do balanço de energia. Após isso, utilizamos o balanço de energia e subtraímos o balanço de entropia de forma a obter o balanço de exergia: (7.20)
172
7
Colocando em evidência os termos com o calor e introduzindo a equação da variação da energia dada pela equação 7.17, temos: 2
T ( A 2 − A1) = 1− T0 ∂Q − ( W + p0 ( V2 − V1) ) − T0 σ b 1
(7.21)
∫
Ou,
( A2
−
Que, em regime permanente, ca:
A 1)
=
AQ
−
AW
−
Ad
(7.22)
0=
T0 − T0σ 1− Q j − W T j
(7.27)
Em que a transferência de exergia associada ao calor é: 2
T A Q = 1− 0 ∂Q Tb 1
∫
(7.23)
A transferência de exergia que acompanha
7.5
Balanço de ex exergia ergia para volumes de controle
o trabalho é: O balanço de exergia para volumes de contro le A W = W + p0 ( V2 − V1)
(7.24)
tem uma gama maior de aplicações na engenharia, visto que muitos equipamentos operam
E o terceiro termo do lado direito da equação é a destruição de exergia devido às irrever irrever-sibilidades do sistema: Ad
=
T0σ
com uxo de massa cruzando a fronteira. Não só a energia, mas a exergia também acompanha este fuxo de massa para dentro e/ou para
(7.25)
fora do volume de controle. A equação do balanço de exergia para volumes de controle é obtida com base no balanço
7.4.1
Balanço de exergia para sistemas fechados em termos de taxas
Em termos de taxas, o balanço de exergia e xergia pode
para sistemas fechados, dada pela equação 7.26, mas modicando-a para que agregue em seu conteúdo a exergia de fuxo que entra e que sai do volume de controle. O resultado é:
ser escrito como: dA = dt
T0 dV (7.26) 1− Q j − W − p 0 − T0σ T j dt
173
Exergia
T0 dVVC 1− Q j − WVC − p0 + T j dt
dA VC = dt
ea fe − m
sa fs − T0σ m
(7.28)
Considerando regime permanente, temos: T0 VC + 1− Q j − W T j
0=
eafe − m
sa fs − T0σ m
(7.29)
Os termos afe e afs referem-se à exergia específca de uxo. uxo. Essa exergia e xergia vale:
af
=
h − h0 − T0 ( s − s0 ) +
w2 2
+
(7. 30)
g·z
Quando temos uma entrada e uma saída, além de um mesmo uxo mássico – pela entrada e saída –, então a diferença de uxo pode ser escrita como:
af 1 − af 2
=
(h1 − h2 ) − T0 ( s1 − s2 ) +
w12 − w22 2
+
g( z1 − z2 )
(7.31)
Eficiência exergética
7.6
A eciência exergética, neste tex to chamada de ε, mede o quão ecientemente a entrada de dis ponibilidade energética foi aproveitada em produto nal. O valor da eciência exergética será sempre menor ou, dicilmente, igual à unidade 1. Normalmente, o conceito de efciência efciência,, que diz ser a mesma a razão do útil pelo gasto, é válida. Dessa forma, para turbinas turbinas,, temos que o útil é a potência da turbina e o gasto é toda a exergia de uxo, ou seja, a soma da potência da turbina com a exergia destruída. Em outras palavras: W ε =
m af 1
− af 2
W =
(7.32)
m W m
+
d A m
Já para compressores compre ssores e bombas, o útil é justam justamente ente o escoamento es coamento provocado pro vocado por po r eles, seja pelo diferencial de pressão, seja pela vazão alcançada. O gas to é a potência do compressor. compressor. Dessa forma, temos:
7
Para trocadores de calor sem mistura, após
(7.33)
um balanço cuidadoso, chegamos a:
( (a
C af 4 m ε =
H m
Repare que, como a potência é sempre negativa para máquinas de uxo motrizes, a efef ciência sempre será menor do que 1. Para trocadores de calor, existem dois
−
) )
af 3
f 1 − af 2
C
(7.34)
H
Para um trocador de calor com mistura, misturando um ponto 1 com um ponto 2 para se obter um ponto 3, temos:
tipos: 1. 2.
( (a
2 af 3 m
sem mistura.
ε =
1 m
com mistura.
−
af 2
f 1 − af 3
) )
(7.35)
Exercícios resolvidos 1.
A quantidade de 1 kg de R134a é comprimido a partir de um est ado de vapor satu-
rado a -10 °C até um estado de vapor superaquecido de 800 kPa e 50 °C. A compressão é adiabática. Considerando Considerando T0 = 20 °C e p 0 = 100 kPa, determine o trabalho e a destruição de exergia, ambos em kJ/ kg.
Resolução Para o trabalho, utilizamos a primeira lei da termodinâmica:
Para achar a exergia de destruição, usamos Ad = T0s, no qual s é a entropia produzida, obtida pelo balanço de entropia: 2
∆S =
∫ δTQ + σ 1
,9711 − 0, 0,9253 σ = m ( s2 − s1 ) = (1 kg) 0 ,9
σ = 0,0458
kJ K
Assim: Ed
Ed
=
=
(293) ( 0 ,0458) 13,42 kJ
kJ kg ⋅ K
Exergia
2.
Um tanque isolado termica-
3.
Um trocador de calor operando
mente e rígido contém 1 quilo-
em regime permanente admite
grama de hélio, inicialmente a
amônia entrando como vapor
100 kPa e 20 °C. O hélio é subme-
saturado a 1,4 MPa a uma vazão
tido a um trabalho externo até
de 500 g/s e saindo como líquido
que sua pressão atinja 145 kPa.
saturado na mesma pressão. Ar
Utilizando o modelo de gás ideal,
entra em uma corrente separada
determine o trabalho e a destrui-
a 300 K e 100 kPa, e sai a 62 °C,
ção de energia do hélio, em kJ.
sem perder pressão na saída.
115 5 kJ/ Considere o valor de c v = 3,11
A transferência de calor entre
kgK. Despreze as variações de
o trocador e suas vizinhanças,
energia cinética e potencial e
bem como as variações de ener-
admita T0 = 27 °C, p 0 = 100 kPa.
gia cinética e potencial, são desprezíveis. Determine:
Resolução
a.
∆U = Q − W
No qual:
fuxo de cada corrente, em kW. b. a taxa de destruição de exergia
W = m ⋅ (u1 − u2 )
p T2 = T1 ⋅ 2 p1 145 T2 = 293 ⋅ 100 T2 = 425 K
a variação da taxa de exergia de
no trocador de calor, em kW.
Considere T0 = 300 K, p0 = 100 kPa.
Resolução a.
Considerando regime perma-
W = m ⋅ Cv ⋅ ( T1 − T2 )
nente, trocador adiabático e sem
W = 1⋅ 3,115 ⋅ ( 293 − 425)
potência, temos:
W = − 411, 2 KJ
p σ = m ⋅ c p ⋅ ln 2 p1 145 σ = 1⋅ 3,115 ⋅ln 100 KJ σ = 1,158 Kg A d = T0 ⋅ σ = (293) ⋅ (1,158) Ad = 339,2 ,29 9 kJ
7
b. A variação na taxa de uxo de exergia da amônia é:
f 2 − A f 1 = m (h2 − h1 ) − T0 ( s2 − s1 ) A f 2 − A f 1 = 0,5 ( 352, 91 A 91 − 15 1542, 89 89 ) − 300 (1, 29 2987 − 5,1360 ) f2 − A f 1 = − 38, 73 kW A E a variação na taxa de uxo de exergia do ar é:
c.
Em regime permanente, o balanço de exergia se reduz a:
T0 dVVC 1− Q j − WVC − p0 + dt T j d ( af 1 − af 2 ) + m a ( af 3 − af 4 ) − A 0=m dA VC = dt
e afe − m
s afs − T0 σ m
Então:
d = − A f 2 − A f 1 − A f 4 − A f 3 = 38 , 73 − 32 ,62 A d = 6,11 kW A
Síntese
Questões para revisão
Neste capítulo, apresentamos os conceitos de
1.
Determine a exergia específca do vapor
“estado morto”, exergia, “estado exergia, morto”, balanço de exergia, exergia, des-
saturado a 120 °C, escoando a uma velo-
truição de exergia exergia,, entre outros. Assim como a
cidade de 30 m/s em uma tubulação a
massa, energia e a entropia, a exergia é uma
6 metros de altura. Considere um ambiente
propriedade extensiva que pode ser transferida
de referência de exergia no qual temos
por meio da fronteira de um sistema. A exergia
T0 = 298 K, p 0 = 1 atm e g = 9,8 m/s 2 .
é uma propriedade que acompanha o uxo de
2.
Um cilindro de um motor de combustão
massa, calor e trabalho. Assim como a entro-
interna contém 2 450 cm3 de produtos gaso-
pia, a exergia não é conservada, podendo ser
sos de combustão a uma pressão de 7 bar
criada ou destruída. De forma a minimizar a
e a uma temperatura de 867 °C, imedia-
destruição de exergia, o balanço de exergia é
tamente antes da abertura da válvula de
fundamental, pois conhecemos os processos
descarga. Determine a exergia específca
que reduzem a efciência de um sistema.
do gás, em kJ/kg. Despreze os efeitos de
Exergia
movimento e gravidade e modele os produ-
5. Determine a exergia, em kJ, para 0,7 bar,
tos de combustão como ar na situação de
90 °C para 1 kg das seguintes substâncias:
gás ideal. Admita T0 = 300 K e p 0 = 1,013 bar.
a) água;
3. Um reservatório rígido e isolado contém
b) refrigerante 134a;
refrigerante R134a inicialmente como vapor
c) ar como gás ideal e cp constante.
saturado a –28 °C. O reservatório está equi-
Em cada caso, a massa encontra-se em
pado com um impelidor conectado a uma
repouso e a uma altura zero relativa ao
polia, na qual uma massa está suspensa.
ambiente de referência para exergia, para
Conforme a massa desce uma certa distân-
o qual T0 = 20 °C e p 0 = 1 bar.
cia, o refrigerante é agitado até que chegue
6. Determine a exergia específca, em kJ/kg,
a um estado em que a pressão é 1,4 bar.
da água a 0,01 °C nas condições de:
As únicas mudanças de estado relevantes
a) vapor saturado;
são aquelas associadas à massa suspensa
b) líquido saturado;
e ao refrigerante. A massa de refrigeran te é
c) sólido saturado.
1,11 kg. Determine, considerando T0 = 293 K
Em cada caso, considere uma massa fxa
e p 0 = 1 bar:
em repouso e a uma altura zero relativa ao
a) as exergias inicial, fnal e a variação de
ambiente de referência para exergia, para
exergia do refrigerante, todas em kJ.
b) a variação de exergia da massa suspensa, em kJ.
c) a variação de exergia do sistema isolado composto pelo conjunto reservatório e polia-massa, em kJ.
4. Um sistema consiste em 5 kg de água a 10 °C e 1 bar. Assinale a alternativa que indica a sua exergia, em kJ, se o sistema sis tema se encontra em repouso e a uma altura zero, relativa ao ambiente de referência para exergia, para o qual T0 = 20 °C e p 0 = 1 bar.
7.
Determine a exergia específca, em kJ/kg, de um quilograma de:
a) vapor d’água saturado a 100 °C; b) água líquida saturada a 5 °C. c) amônia a –10 °C, 1 bar. Em cada caso, considere uma massa fxa em repouso e uma altura zero relativa ao ambiente de referência para exergia, para o qual T0 = 20 °C e p 0 = 1 bar.
8. Um gás ideal é estocado em recipiente à
a) A = 5,35 kJ.
pressão p e à temperatura T . Assim,
b) A = 3,55 kJ.
a) se T = T0, obtenha uma expressão para
c) A = 5,55 kJ.
a exergia específca em termos de p, p 0 ,
d) A = 4,55 kJ.
T0 e da constante particular do gás, R .
e) A = 2,55 kJ.
178
o qual T0 = 20 °C e p 0 = 1 bar.
7
b) se p = p 0 , obtenha uma expressão para
11. Um volante com um momento de inércia
a exergia específca em termos de T , T 0 e
de 6,74 kg · m 2 gira a 3 000 rpm. Conforme o
do calor específco c p, que pode ser con-
volante é freiado até o repouso, sua energia
siderado constante. Ignore os efeitos
cinética rotacional é totalmente convertida
de movimento e da gravidade.
em energia interna para o revestimento do
9. Um reservatório rígido é preenchido com
freio. Esse revestimento tem uma massa de
vapor de amônia inicialmente a 1 bar e
2, 27 kg e pode ser tomado como um sólido
20 °C. O vapor é resfriado até que a tem-
incompressível, com um calor específco
peratura atinja – 40 °C. Não existe trabalho
c = 4,19 kJ/kgK. Não existe troca de calor
durante o processo. Assinale a alternativa
signifcativa com as v izinhanças.
que indica a transferência de calor por
a) Determine a temperatura final do
unidade de massa e a variação de exergia
revestimento do freio, em °C, se sua
específca, respectivamente, para a amônia,
temperatura inicial é 16 °C.
ambas em kJ/kg. Comente os resultados.
b) Determine a maior velocidade angu-
Considere T0 = 20 °C e p 0 = 0,1 MPa.
lar possível, em rpm, que poderia ser
a) –209,5 e 39,6.
obtida pelo volante usando a ener-
b) 39,6 e –209,5.
gia armazenada no revestimento do
c) 209,5 e –39,6.
freio após o volante ter sido freiado ao
d) –39,6 e 209,5.
repouso. Considere T0 = 16 °C.
e) 408 ,6 e 79,5.
12. Um tanque rígido e isolado contém 1 kg
10. Dois quilos de água sofrem um processo
de argônio inicialmente a 27 °C e 1 bar. O
a partir de um estado inicial em que água
Argônio é agitado por um impelidor até
se encontra como vapor saturado a 120 °C,
que sua pressão atinja 1,2 bar. Utilizando o
velocidade de 30 m/s e uma altura de 6 m
modelo de gás ideal, determine o trabalho
até um estado fnal de líquido saturado a
e a destruição de e xergia do argônio, argônio, sem-
10 °C, velocidade de 25 m/s e uma altura de
pre em kJ. Despreze variações de energia
3 m. Determine, em kJ, as grandezas que
cinética e potencial e admita T 0 = 27 °C e
se seguem:
p 0 = 1 bar.
a) a exergia do estado inicial; b) a exergia do estado fnal; c) a variação de exergia. Tome T0 = 25 °C, p 0 = 1 atm e g = 9,8 m/s 2 .
13. Um kg de R134a é comprimido adiabaticamente de um estado de vapor saturado a
–10 °C até um estado fnal em que a pres são é 8 bar e a temperatura é de 50 °C.
179
Exergia
Determine o trabalho específco e a destruidestrui-
16. A temperatura da água contida em um tan-
ção de exergia, ambos em kJ/kg. Considere
que rígido e bem isolado é aumentada de
T0 = 20 °C e p 0 = 1 bar.
15 °C a 50 °C pela passagem de corrente
14. Água a 25 °C, 1 bar, é extraída do lado de
elétrica através de um resistor no interior
uma montanha 1 km acima de um vale e
do tanque. Determine a efciência exergé -
escoa através de um turbo-gerador hidráu-
tica para esse tanque. Admita que a água
lico para um outro lago situado na base do
é incompressível e que os estados do resis-
vale. Considerando operação em regime
tor e do tanque não variam. Considere T 0 =
permanente, assinale a alternativa que
15 °C.
indica o uxo mássico mínimo teórico, em
0000 °C e com uma vazão más17. Ar a 7 bar, 1 00
kg/s, para geração de 1 MW. Considere
sica de 5 kg/s entra em uma turbina e é
T0 = 25 °C e p 0 = 1 bar.
expandido até 1,5 bar e 665 °C. A turbina
a) 152,2 kg/s.
opera em regime permanente, tendo uma
b) 201,9 kg/s.
transferência de calor desprezível para as
c) 91,9 kg/s.
suas vizinhanças. Admitindo modelo de gás
d) 101,9 kg/s.
ideal com k = 1,35 e desprezando as ener-
e) 203,8 kg/s.
gias cinética e potencial, determine:
15. Vapor saturado de água a 8 kPa e com
a) a efciência isentrópica da turbina.
vazão mássica de 72 ,22 kg/s entra no con-
b) a efciência exergética da turbina.
densador de uma instalação de potência e sai como líquido saturado a 8 kPa. A cor-
Questões para reflexão
rente de água de resfriamento entra a 15 °C
1. Muitas aplicações, como fogões, fornos,
e sai a 35 °C, com uma variação desprezível
secadores de roupa e aquecedores de água,
na pressão. Considerando regime perma-
oferecem uma escolha entre operação elé-
nente, determine:
trica ou a gás. Selecione um eletrodomés-
a) a taxa de energia que sai da instalação
tico a sua escolha e realize uma análise
com a água de resfriamento, em MW.
b) a taxa de exergia que sai da instalação com a água de resfriamento, em MW. Considere: T0 = 20 °C e p 0 = 1 bar.
detalhada sobre como o aparelho funciona com cada tipo de modo de operação. Avalie as perdas de cada um e estime qual modo é o mais efciente, levando em conta uma análise exergética do sistema.
180
7
2.
Comprar uma lâmpada hoje em dia envolve
Utilizando a análise exergética, deter-
a escolha de três tipos diferentes de tecno-
mine qual lâmpada será utilizada em 2020.
logia: incandescente, fuorescente comcom -
Justifque Justi fque sua resposta. respo sta.
pacta e a do tipo LED (Light ( Light Emitting Diode). Diode). Partindo do poder de iluminação de uma
Para saber mais
lâmpada incandescente de 100 W, medida
Para saber mais sobre análise exergética,
em lumens, e comparando a potência uti-
acesse o seguinte site e assista ao vídeo (áudio site e
lizada pelos outros tipos de lâmpada para
em inglês):
conseguir o mesmo efeito de ilumina-
MIT – Massachusetts Institute of Technology. Technology.
ção, realize uma análise geral sobre qual
The Second Law and Energy Panel . Disponível
é o custo total anual de cada lâmpada.
em:
Considere uma utilização de 1 00 000 0 horas
law-and-energy-panel- 9285 >. Acesso em: 2 set.
por ano. Pesquise, ainda, o consumo ener-
2015 .
gético na fabricação de cada uma delas.
181
Considerações finais A termodinâmica está em constante evolução, seja ela técnica, voltada a aplicações industriais e de engenharia, seja clássica, voltada ao estudo e ao desenvolvimento de novas teorias. Atualmente, o grande ramo da termodinâmica amplamente estudado é a análise exergética de sistemas, ou seja, a otimização de sistemas por meio da redução da entropia gerada em sistemas. Na apresentação desta obra, questionamos sobre o porquê de estudarmos a termodinâmica, elaborando a hipótese de que ela seria o estudo da energia e dos meios pelo qual ela é utilizada para melhorar a qualidade de vida do ser humano. Após o estudo completo, percebemos que o pensamento parece estar mesmo correto.
Em um mundo cada vez mais preocupado com questões ambientais e de sustentabilidade, criar e projetar sistemas com
baixo impacto ambiental, que promovam uma maior potência gerada com menos recursos ambientais ou menor consumo energético para benefciar o ser humano, é algo que mexe com a comu nidade acadêmica e científca.
Na geração de potência, a termodinâmica está agora preocupada em reunir esforços para a geração de potência por meio de energias renováveis, como a biomassa, o biodiesel ex traído de algas, as chaminés solares, as usinas térmicas fotovoltaicas e termossolares, os ciclos de Rankine orgânico, a otimização de combustores para ciclos de geração de potência a gás, a melhoria na efciência de caldeiras para geração de vapores, entre outras.
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Quanto aos ciclos de geração de potência por combustão interna, a engenharia está voltada à redução de peso e componentes dos motores, aumentando a relação potência/peso, ou seja,
a potência para um consumo igual ou inferior de combustível, ao mesmo tempo que o tamanho e o peso dos motores é reduzido. Motores do tipo stirling stirling,, que usam combustão externa, voltaram a ser alvo de pesquisas, pois podem utilizar a energia solar ou a
energia de rejeitos industriais para a geração de potência auxiliar, aumentando a efciência da planta e reduzindo a pressão ambiental. Podemos mencionar ainda que, na refrigeração, novos sistemas
requerem a utilização de gases liquefeitos, seja para o transporte, seja para a criogenia. Isso exige a utilização da termodinâmica em áreas como a de liquefação de gases, a criogenia para medicina e para a engenharia de alimentos, a pirólise (conversão de combustíveis sólidos em líquidos ou gasosos) etc. É claro que a refrigeração ainda está evoluindo em termos de baixo consumo. Mas é justamente por isso que devemos pensar sobre o uso e o desenvolvimento de compressores com inversor de
frequência para a redução do consumo energético, sobre a aplicação de novos componentes para a refrigeração ref rigeração por absorção, como
o uso de soluções de brometo de lítio (BrLi) na refrigeração e no condicionamento de ar movido por energia solar. Tudo isso também
é foco dessa nova onda de estudos da termodinâmica. Além da geração de potência e de refrigeração, o uso da ter-
modinâmica está avançando na área médica, no desenvolvimento de novos órgãos artifciais, cada vez mais compatíveis com o corpo
humano, como corações, pulmões, rins etc. Tomando por base os novos desafos da termodinâmica, apre -
sentamos neste livro as ferramentas básicas para que o estudante possa se aventurar neste novo mundo, tendo o embasamento necessário para prosseguir nos estudos e, de repente, ajudar a comunidade científca a mudar o mundo para melhor!
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