O que é Máquina termodinâmica? — Física

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 $W$ com o exterior e calor $Q_i$ com fontes às temperaturas $T_i$ — os termostatos, cuja temperatura a troca não altera. Uma máquina ditérmica usa dois termostatos, a fonte quente a $T_h$ e a fonte fria a $T_c < T_h$ . Ela é uma máquina motriz se fornece trabalho ( $W < 0$ ), um refrigerador se é acionada ( $W > 0$ ) 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 $Q_c$ , e uma bomba de calor se se quer $|Q_h|$ .

Exemplos

Exemplo 24.6 (Três números)

Uma turbina a vapor entre $T_h = 800\,\mathrm{K}$ e um rio a $T_c = 300\,\mathrm{K}$ : $\eta_C = 0.625$ ; as usinas reais chegam a uns $0.40$ . Uma geladeira doméstica entre $275\,\mathrm{K}$ dentro e uma cozinha a $298\,\mathrm{K}$ : $e_f \leq 275/23 = 12$ ; as máquinas reais dão $2$ a $4$ . Uma bomba de calor que aquece uma casa a $293\,\mathrm{K}$ a partir do ar a $273\,\mathrm{K}$ : $e_p \leq 293/20 = 14.7$ ; as bombas reais dão $3$ a $5$ — 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 $6\,\mathrm{kW}$ com $-5{}^{\circ}\mathrm{C}$ lá fora precisa de $6\,\mathrm{kW}$ de eletricidade com resistências; uma bomba de calor ideal de $268\,\mathrm{K}$ a $293\,\mathrm{K}$ precisaria de $6/11.7 = 0.51\,\mathrm{kW}$ ; uma real com temperaturas de trocador de $260\,\mathrm{K}$ e $313\,\mathrm{K}$ e um fator de qualidade $0.55$ , $e_p = 0.55 \times 313/53 = 3.2$ , precisa de $1.9\,\mathrm{kW}$ . O problema de fim de semana percorre a estação inteira, entropia incluída.

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Exemplos

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