Processo Reversível e Irreversível
Teoria
Opa! Bora aprender o que são Processos Reversíveis e Irreversíveis?
Processo Reversível
Bora ir direto ao que interessa! O que é um processo reversível?
“Um processo reversível, para um sistema, é definido como aquele que, tendo ocorrido, pode ser invertido e depois de realizada esta inversão, não se notará algum vestígio no sistema e no meio”.
Pra ficar mais claro, imagine um recipiente com um gás preso por êmbolo e em cima do êmbolo temos vários pesinhos. Se liga na imagem abaixo:
A medida que vamos retirando cada pesinho, o gás se expande um pouquinho. Bem pouquinho e devagarinho! Se eu quiser eu posso recolocar o pesinho e o gás vai comprimir um pouquinho, voltando ao seu estado original, certo?
É exatamente esse o espirito do Processo Reversível! 🤩🤩🤩
Como o gás se expandiu beem pouquinho, dizemos que ele realizou um trabalho infinitesimal, que pode ser revertido a qualquer momento. Já que o processo é reversível!
📢 Clique para ver mais:
- Processo Reversível e Irreversível: Exercícios Resolvidos
- Ciclo de Carnot;
- Segunda lei da termodinâmica
- Tabelas Termodinâmicas.
Processo Irreversível
Agora que falamos sobre o que são processos reversíveis vamos falar um pouco sobre os processos irreversíveis, ou seja, aqueles que ao ocorrerem no sentido inverso afetam de algum modo o ambiente externo.
Nesse vídeo aqui em baixo a gente explica um pouco mais sobre processos reversíveis e irreversíveis e como identifica-los! Dá só uma conferida! 🧡 😉
Vamos novamente imaginar o exemplo de um gás dentro de um cilindro e o êmbolo está, incialmente, preso por um pino. Ao se retirar o pino o êmbolo sobe e é retido por um limitador como mostrado na figura abaixo:
Vamos dizer que esse processo de expansão foi o caminho de “ida”. Agora vamos fazer o processo de “volta”, no caso um processo de compressão. Ao comprimir o gás trabalho externo deve ser fornecido ao sistema, até aí nenhum problema porque quando o gás expandiu ele efetuou trabalho também igualando as coisas.
Porém, como a pressão exercida sobre a face do pistão é maior no curso de volta do que no curso de ida, o gás deve perder uma certa quantidade de calor para o ambiente. Isso ocorre porque deve haver conservação de energia no sistema, dessa forma o gás deve transmitir calor para o meio externo enquanto sofre a realização de trabalho de compressão, fazendo com que o processo de volta deixe um vestígio na forma de calor, tornando processo irreversível, como mostrado na figura abaixo.
Fatores que tornam um Processo Irreversível
Mas e na prática, o que torna um processo irreversível?!
Abaixo a gente tem alguns fatores que podem tornar o processo irreversível:
- Atrito;
- Expansão não resistida;
- Transferência de calor com diferença finita de temperatura;
- Mistura de substâncias;
- Combustão.
Agora vamos praticar com exercícios!
Processo Irreversível
Exercícios Resolvidos
Exercício Resolvido #1
Formulação própria
Diga se as afirmações são verdadeiras ou falsas.
I – Um ciclo por definição é reversível.
II – Para que um processo seja reversível o sistema deve retornar ao seu estado de origem sem deixar vestígios no ambiente.
III – Para se obter a maior quantidade de trabalho possível através de um ciclo termodinâmico operando entre duas temperaturas deve-se utilizar um ciclo reversível.
IV – A reversibilidade de um processo depende apenas do fato deste retomar ao seu estado inicial.
Passo 1
I – Falso. Existem ciclos irreversíveis.
Passo 2
II – Verdadeiro.
Passo 3
III – Verdadeiro.
Passo 4
IV – Falso. A reversibilidade de um processo também depende do meio externo.
Resposta
I – Falso.
II – Verdadeiro.
III – Verdadeiro.
IV – Falso.
Exercício Resolvido #2
Formulação própria
Explique como poderia ocorrer um processo de transferência de calor de forma reversível.
Passo 1
Primeiro, precisamos lembrar que para a transferência de calor ocorrer é necessário que haja uma diferença de temperatura entre dois objetos. Os dois blocos abaixo mostram isso! Quando tem diferença de temperatura (quando ), existe troca de calor. No entanto, quando as temperaturas são iguais , não existe troca de calor.
No entanto, sabemos que diferenças finitas de temperatura fazem com que o processo se torne irreversível. Ué... pra ter transferência de calor é necessário diferença de temperatura, mas a diferença finita de temperatura gera irreversibilidade... isso que dizer que um processo de transferência de calor de forma reversível é impossível? Veremos a seguir!
Passo 2
Pra “driblar” a irreversibilidade causada pela diferença finita de temperatura, a transferência deve ocorrer com uma diferença infinitesimal de temperaturas! Porém, na prática, diferenças infinitesimais de temperatura levariam a um tempo infinitamente grande de transferência de calor. Portanto, na realidade não existe troca de calor reversível.
Resposta
A troca reversível de calor é um processo teórico de transferência de calor com diferenças infinitesimais de temperatura. Esse processo teórico levaria um tempo infinitamente grande de transferência de calor.
Exercício Resolvido #3
Elaboração própria
Uma máquina térmica reversível opera entre as temperaturas de e .
A) Qual sua eficiência?
B) A relação é possível?
Passo 1
Para calcular a eficiência de uma máquina reversível podemos utilizar a fórmula do ciclo de Carnot:
Lembre-se que essa relação não vale apenas para o ciclo de Carnot e sim para qualquer ciclo reversível!
Passo 2
Na letra B o problema pede, basicamente, a relação entre os calores. Como sabemos a relação entre as temperaturas e que o ciclo é reversível podemos fazer da forma.
Perceba que, para um ciclo reversível, o calor quente deve ser necessariamente igual a quatro vezes o calor frio! Então a letra B é impossível
Resposta
A)
B) Impossível
Exercício Resolvido #4
Elaboração própria
Um aluno de termodinâmica imaginou um refrigerador que, ao operar entre as temperaturas de 23°C e 47°C, necessitava de para retirar do ambiente refrigerado. Esse refrigerador é possível? Se sim ele é reversível?
Passo 1
Nesse tipo de problema é interessante montar um esqueminha do que está acontecendo, como representado abaixo:
Para que esse ciclo seja possível temos que respeitar duas coisas:
1° - A primeira lei
2° - A eficiência não pode ser maior do que a eficiência de um ciclo reversível.
Passo 2
A primeira lei, aplicada a ciclos aparece da seguinte forma:
Perceba que o não foi dado, então, desde que seja igual a , teremos um ciclo possível (pela primeira lei).
Passo 3
Agora vamos verificar a segunda restrição:
2° - A eficiência não pode ser maior do que a eficiência de um ciclo reversível.
Como se trata de um refrigerador vamos utilizar o coeficiente de performance
Lembrando que a temperatura deve estar na escala absoluta
Agora temos três opções
1 – O nosso refrigerador possuí Ciclo possível e irreversível.
2 – O nosso refrigerador possuí Ciclo possível e reversível.
3 – O nosso refrigerador possuí Ciclo impossível.
Perceba que, para um ciclo reversível, o calor quente deve ser necessariamente igual a quatro vezes o calor frio! Então a letra B é impossível
Passo 4
Calcular o coeficiente de performance do ciclo
Logo nos deparamos com o caso 1, o ciclo é possível e irreversível.
Resposta
O ciclo é possível e irreversível.
Exercício Resolvido #5
Gordon Van Wylen, Richard Sonntag e Claus Borgnakke, Fundamentos da termodinâmica clássica, Tradução da 4ª ed. americana. São Paulo: Edgard Blucher, 1995, pp.156 – Ex 6.13
Uma máquina cíclica opera entre as temperaturas de 400K e 1000K, recebendo , emanando e realizando um trabalho de . Essa máquina é reversível, irreversível ou impossível?
Passo 1
Primeiro vamos ver se essa máquina é possível segundo a primeira lei da termodinâmica
Portanto a máquina é possível segundo a primeira lei.
Passo 2
Agora vamos comparar essa máquina com a de Carnot, que é uma máquina reversível. Para isso vamos utilizar a mesma relação para a máquina de Carnot
Agora vamos analisar a resposta. Como as relações deram diferentes então a máquina certamente não é reversível. Além disso a relação entre os calores foi menor do que a relação entre as temperaturas, portanto, é uma máquina impossível.
Outra forma de ver isso é calcular a eficiência da máquina de Carnot e dessa suposta máquina. Você irá ver que a da máquina em questão é maior do que a de Carnot o que é impossível!
Resposta
É uma máquina impossível.
Exercício Resolvido #6
Gordon Van Wylen, Richard Sonntag e Claus Borgnakke, Fundamentos da termodinâmica clássica, Tradução da 4ª ed. americana. São Paulo: Edgard Blucher, 1995, pp.2158 – Exercício 6.27 (adaptada)
Uma bomba de calor deve ser utilizada para aquecer uma residência no inverno e depois, funcionando em operação reversa, para resfriar a residência no verão. A temperatura interna deve ser mantida a 20°C no inverno. A transferência de calor, através das paredes e do teto, é estimada em 2400 kJ por hora por grau de diferença entre o meio interno e externo da residência. Se a temperatura externa no inverno é de 0°C, qual é a potência mínima necessária para acionar a bomba de calor?
Passo 1
Na letra a o problema pede a potência mínima necessária para acionar a bomba de calor. Logo devemos encontrar e , e aplicar a primeira lei para achar .
Como a casa perde 2400 kJ por hora por grau de diferença, então temos que a casa perde calor a uma taxa de:
Para que a casa mantenha sua temperatura a taxa de calor perdida deve ser igual à taxa de calor cedida pela bomba de calor, que é o . Logo:
Passo 2
Para acharmos é só utilizar a relação entre temperatura absoluta e calor (ou taxa de transferência de calor):
Lembre-se que isso só vale para ciclos reversíveis. Nesta questão trata-se de um ciclo reversível pois o enunciado pediu a potência mínima necessária, que só pode ser obtida através de um ciclo reversível.
Passo 3
Agora é só voltar para o passo 1 e substituir os valores na equação referente à primeira lei:
Resposta
Exercício Resolvido #7
Gordon Van Wylen, Richard Sonntag e Claus Borgnakke, Fundamentos da termodinâmica clássica, Tradução da 4ª ed. americana. São Paulo: Edgard Blucher, 1995, pp.235 – Exercício 8.3
Um refrigerador doméstico possui um congelador a -10°C e um espaço refrigerado a 5°C. O equipamento opera num meio a 20°C. Admitindo que as taxas de transferência de calor no espaço refrigerado e no congelador sejam de 3kW, determine a potência mínima necessária para operar o refrigerador.
Passo 1
Esse problema é um pouquinho diferente dos demais que já fizemos, porque o refrigerador tem dois reservatórios frios com dois . Então a primeira coisa que devemos perceber é a mudança na primeira lei, que levando em consideração ambos reservatórios frios ficará da forma:
Ambas taxas de transferência de calores frios foram fornecidos e são iguais a 3kW.
Com isso, se acharmos resolvemos o problema.
Passo 2
Como o problema pede a mínima potência para operação estamos falando de ciclos reversíveis e, portanto, a relação entre calor e temperatura absoluta pode ser utilizada, e podemos utilizar também com relação às taxas de transferência de calor:
Isso é legal porque vai fornecer a parcela de que ao congelador e o espaço refrigerado têm. Assim, basta soma-los e teremos o .
Para o espaço refrigerado:
Para o congelador:
Agora é só somar os dois para achar
Passo 3
Agora é só voltar para o passo 1 e substituir os valores na equação referente à primeira lei:
Resposta
Exercício Resolvido #8
Elaboração própria
Uma turbina faz parte de um ciclo termodinâmico e é colocada em operação sob regime permanente e com fluxo de água igual a 40 kg/s. Sabendo que a entalpia da entrada da turbina é igual a 2800 kJ/kg e na saída a entalpia é igual a 2000 kJ/kg, que a bomba consome um trabalho igual a 5 kJ/kg, que o calor transferido ao sistema é igual a 4000 kJ/kg e que a eficiência dessa turbina, quando opera num ciclo reversível é igual a 30%. Diga se o ciclo termodinâmico o qual a turbina está operando é reversível ou irreversível e a potência líquida gerada.
Passo 1
O problema quer saber se o ciclo termodinâmico que a turbina está operando é reversível ou irreversível. Para isso basta calcularmos a eficiência e caso seja igual a 30% é reversível, se for menor, irreversível, e se for maior, impossível.
Vamos fazer isso calculando o trabalho da turbina pela diferença de entalpia e aplicar na equação da eficiência de uma máquina termodinâmica.
Passo 2
Calcular o trabalho gerado pela turbina que é igual a diferença de entalpias:
Passo 3
Aplicar na equação da eficiência de uma máquina térmica:
Logo a máquina é irreversível.
Passo 4
No passo 2 calculamos o trabalho específico, agora para saber a potência basta multiplicarmos o trabalho específico pelo fluxo de massa:
Resposta
A máquina é irreversível.
Exercício Resolvido #9
Elaboração própria
Um refrigerador utilizado para resfriar uma sala recebe 0,3 kW de potência e deve manter a sala a uma temperatura de 20°C. Sabendo que a taxa de transferência de calor entre a sala e o ambiente externo é de 2,5 kW. Qual a máxima temperatura que o ambiente externo pode estar de forma a sala manter a temperatura de 20°C?
Passo 1
O problema pede a temperatura do meio externo, ou seja, . Como o problema forneceu a potência e a taxa de calor absorvido pela sala, que deve ser igual à taxa de calor cedido pela sala ao refrigerador , podemos achar facilmente o .
Com , e fica fácil achar considerando esse ciclo reversível. Pois podemos utilizar a relação entre temperatura absoluta e calor.
Passo 2
Então vamos calcular , que, pela primeira lei da termodinâmica, pode ser calculado como:
Passo 3
Agora basta utilizar a relação:
Como queremos o resultado em Celsius:
Resposta
Exercício Resolvido #10
Gordon Van Wylen, Richard Sonntag e Claus Borgnakke, Fundamentos da termodinâmica clássica, Tradução da 4ª ed. americana. São Paulo: Edgard Blucher, 1995, pp.158 – Exercício 6.33
Um refrigerador térmico a 16°C é utilizado como fonte fria de uma bomba de calor. Como fonte quente é utilizada uma vazão de 60 kg/h de água, que entra no equipamento como líquido saturado a 200 kPa e sai do equipamento como vapor saturado. Admitindo que o processo de aquecimento ocorra a pressão constante, determine qual é a potência mínima necessária para operar esta bomba.
Dado: Tabela de saturação da água
Passo 1
Vamos ver os dados do problema:
- Entrada líquido saturado
- Saída vapor saturado
A temperatura fria já é um grande dado, basta coloca-la na escala Kelvin. O dado da pressão juntamente com os dados de entrada e saída do equipamento nos fornecem, pela tabela, tanto a temperatura de 120°C quanto . Assim podemos calcular o que vamos fazer no passo seguinte.
Passo 2
Para calcular o basta vermos quanto de calor foi trocado no equipamento. Esse cálculo é feito multiplicando-se a vazão mássica pela entalpia de evaporação.
O 3600 apareceu porque passamos de hora para segundo, okay ;)
Passo 3
Agora que temos , e podemos achar já que a máquina é reversível.
Passo 4
Pela primeira lei da termodinâmica vamos ter que: