7- CAPÍTULO 7 - EXERGIA.pdf

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).

167

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 identicar 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 denição de exergia e que se completará

mento de sistemas térmicos que fazem uso efe-

com a denição 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 eciente 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 ecientes, reduzir fontes de ineciência 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 ee 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 signicativamente 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 denição 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.

e = u+

w2 2

+

g·z

(7.15)

Fica evidente, na equação 7.12, que o máximo trabalho teórico do sistema sis tema combinado

171

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 

(7.21)

( A 2 − A1) = ∫  1− T0  ∂Q − ( W + p0 ( V2 − V1) ) − T0 σ 1

b



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 modicando-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 eciência exergética, neste tex to chamada de ε, mede o quão ecientemente a entrada de dis ponibilidade energética foi aproveitada em produto nal. O valor da eciência exergética será sempre menor ou, dicilmente, 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:

174

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

kJ kg ⋅ K

Assim: Ed

Ed

=

=

(293) ( 0 ,0458) 13,42 kJ

175

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

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

176

a variação da taxa de exergia de

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

177

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: . 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.

183

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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Referências Termodinâmica.. 7. ed. São Paulo: McGraw-Hill, BOLES, M. A.; CENGEL, Y. A. Termodinâmica

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