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Física · Glossário

O que é Máquina termodinâmica?

Definição 24.1 Física universitária — 1.º ano · Capítulo 24 — Máquinas térmicas

Uma máquina termodinâmica é um sistema fechado (o fluido de trabalho) levado por um ciclo, de modo que ele volta periodicamente ao mesmo estado, enquanto troca trabalho WW com o exterior e calor QiQ_i com fontes às temperaturas TiT_i — os termostatos, cuja temperatura a troca não altera. Uma máquina ditérmica usa dois termostatos, a fonte quente a ThT_h e a fonte fria a Tc<ThT_c < T_h. Ela é uma máquina motriz se fornece trabalho (W<0W < 0), um refrigerador se é acionada (W>0W > 0) para tirar calor da fonte fria, e uma bomba de calor se é acionada para ceder calor à fonte quente. Todas as grandezas são contadas ao longo de um ciclo, algebricamente, como recebidas pelo fluido.

Os dois sentidos de um ciclo ditérmico. À esquerda: a máquina motriz toma calor da fonte quente, rejeita parte dele à fria e fornece a diferença como trabalho. À direita: a mesma máquina acionada ao contrário bombeia calor do frio para o quente; é um refrigerador se se quer Q_c, e uma bomba de calor se se quer |Q_h|.
Os dois sentidos de um ciclo ditérmico. À esquerda: a máquina motriz toma calor da fonte quente, rejeita parte dele à fria e fornece a diferença como trabalho. À direita: a mesma máquina acionada ao contrário bombeia calor do frio para o quente; é um refrigerador se se quer QcQ_c, e uma bomba de calor se se quer ∣Qh∣|Q_h|.

Exemplos

Exemplo 24.6 (Três números)

Uma turbina a vapor entre Th=800 KT_h = 800\,\mathrm{K} e um rio a Tc=300 KT_c = 300\,\mathrm{K}: ηC=0.625\eta_C = 0.625; as usinas reais chegam a uns 0.400.40. Uma geladeira doméstica entre 275 K275\,\mathrm{K} dentro e uma cozinha a 298 K298\,\mathrm{K}: ef≤275/23=12e_f \leq 275/23 = 12; as máquinas reais dão 22 a 44. Uma bomba de calor que aquece uma casa a 293 K293\,\mathrm{K} a partir do ar a 273 K273\,\mathrm{K}: ep≤293/20=14.7e_p \leq 293/20 = 14.7; as bombas reais dão 33 a 55 — ainda assim, três a cinco vezes o que a mesma eletricidade daria numa resistência (Problema 24.1).

Exemplo 24.18 (Bomba de calor ou resistência?)

Uma casa que perde 6 kW6\,\mathrm{kW} com −5∘C-5{}^{\circ}\mathrm{C} lá fora precisa de 6 kW6\,\mathrm{kW} de eletricidade com resistências; uma bomba de calor ideal de 268 K268\,\mathrm{K} a 293 K293\,\mathrm{K} precisaria de 6/11.7=0.51 kW6/11.7 = 0.51\,\mathrm{kW}; uma real com temperaturas de trocador de 260 K260\,\mathrm{K} e 313 K313\,\mathrm{K} e um fator de qualidade 0.550.55, ep=0.55×313/53=3.2e_p = 0.55 \times 313/53 = 3.2, precisa de 1.9 kW1.9\,\mathrm{kW}. O problema de fim de semana percorre a estação inteira, entropia incluída.

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