A Eficiência das Maquinas Térmicas e seus Ciclos Termodinâmicos

 A eficiência de uma usina térmica é baixa devido à baixa eficiência das turbinas. Uma eficiência inferior a 100% é evidenciada na 2ª Lei da Termodinâmica que estabelece que ‘nenhum dispositivo pode operar de modo que seu único efeito seja converter completamente calor absorvido em trabalho’ ou ‘todo sistema que sofre algum processo espontâneo, muda para uma condição na qual sua habilidade de realizar trabalho diminui’. A enorme perda de
calor e como dispô-lo, rejeitando ou reaproveitando, representa um dos maiores aspectos de uma usina térmica.

 Os principais Ciclos Termodinâmicos que uma central termelétrica pode operar são:

1. Ciclo Rankine

 O ciclo Rankine descreve a operação de turbinas a vapor comumente encontrados em estações de produção de energia. Existem quatro processos num ciclo Rankine:

- Compressão: o fluido é bombeado de uma pressão baixa para uma pressão alta utilizando-se uma bomba. O bombeamento requer algum tipo de energia para se realizar .

- Transferência de calor isobárica: o fluido pressurizado entra numa caldeira, onde é aquecido a pressão constante até se tornar vapor superaquecido.

- Expansão: o vapor superaquecido expande através de uma turbina para gerar trabalho. Idealmente, esta expansão é isoentrópica. Com esta expansão, tanto a pressão quanto a temperatura se reduzem.

- Transferência de calor: o vapor então entra num condensador, onde ele é resfriado até a condição de líquido saturado. Este líquido então retorna à bomba e o ciclo se repete.

2. Ciclo Brayton

O ciclo Brayton se constitui de quatro etapas:

 - Compressão adiabática e isentrópica: o ar em condição ambiente passa pelo compressor, onde ocorre compressão adiabática (não há trocas de calor com o ambiente) e isentrópica (entropia constante), com aumento de temperatura e conseqüente aumento de entalpia (medida da energia do sistema que está disponível na forma de calor).

- Transferência de calor isobárica da fonte quente (câmara de combustão): comprimido, o ar é direcionado às câmaras, onde mistura-se com o combustível possibilitando queima e aquecimento, à pressão constante.

- Expansão adiabática e isentrópica: Ao sair da câmara de combustão, os gases, à alta pressão e temperatura, se expandem conforme passam pela turbina, idealmente sem variação de entropia (mede a parte da energia que não pode ser transformada em trabalho). Na medida em que o fluido exerce trabalho sobre as palhetas, reduzem-se a pressão e temperatura dos gases, gerando-se potência mecânica. A potência extraída através do eixo da turbina é usada para acionar o compressor e eventualmente para acionar outra máquina.

- Transferência de calor isobárica para a fonte fria (ambiente): a quarta etapa não ocorre fisicamente, se tratando de um ciclo termodinâmico aberto. Conceitualmente, esta etapa representa a transferência de calor do fluido para o ambiente.

3. Ciclos Otto e Diesel:

 Os ciclos de operação mais comumente utilizados em máquinas de combustão interna são: ciclo Diesel e ciclo Otto. 

O Ciclo Otto é um ciclo termodinâmico, que idealiza o funcionamento de motores de combustão interna de ignição por centelha. Nos motores Otto, a mistura combustível e comburente é preparada fora do motor, pelo carburador, e injetada no cilindro.

 No ciclo Diesel a combustão se dá pelo aumento da temperatura provocado pela compressão da mistura inflamável. No motor diesel não existe uma aspiração, mas sim uma injecção de óleo (combustível) no momento de máxima compressão, a alta taxa de oxigênio faz com que o óleo entre em combustão, produzindo a explosão sem a necessidade da ignição elétrica.

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