U ZLAŞTIRMA T UTANAĞININ H UKUKİ N İTELİĞİ

Neste trabalho, constatou-se a importância da busca de índices de avaliação do uso da energia nos princípios da termodinâmica, esclarecendo sua significância.

Primeiro princípio da termodinâmica

O primeiro princípio da termodinâmica estabelece que, durante qualquer ciclo percorrido por um sistema, a integral cíclica do calor é proporcional à integral cíclica do trabalho (VAN WYLEN et al., 1998).

Considerando um sistema que percorre um ciclo mudando de um estado 1 para um estado 2, pode-se representar o primeiro princípio da termodinâmica, também conhecido como Lei da Conservação da Energia, por meio da equação 1. 2 1 1 2 2 1 E E W Q (1) em que 2 1

Q = calor transferido para o sistema durante o processo de

transformação, J;

E2 e E1 = valor da energia nos estados inicial e final, J; e

2 1

19

A equação 1 estabelece que, quando um sistema passa por mudança de estado, a energia pode cruzar a fronteira como calor ou trabalho. Considerando que a energia do sistema pode variar nas três formas de energia interna, cinética e potencial , tem-se que:

2 1 1 2 2 1 2 2 1 2 2 1 mg z z W 2 v v m U U Q ₍₂₎ em que

U2 e U1 = energia interna no estado 2 e 1, J;

m = massa das partículas, kg; G = aceleração da gravidade, m.s-2;

Z2 e z1 = cota das partículas em relação ao referencial ,m; e

V2 e v1 = velocidade das partículas, m.s-1.

A equação 2 indica que a variação líquida da energia do sistema é sempre igual à transferência líquida da energia através da fronteira do sistema, nas formas de calor e trabalho. Se os parâmetros de estado da matéria e o meio ambiente, no sistema, forem iguais, a capacidade de transferência líquida de energia é nula. Portanto, não há realização de trabalho, a não ser que haja trabalho externo. O estado de equilíbrio da matéria e o meio ambiente fornecem o estado de equilíbrio termodinâmico, que constitui o nível de referência, também chamado de nível zero, da disponibilidade de energia.

Enfatizam-se então, pela formulação matemática: i) a existência de uma função energia interna; ii) o princípio da conservação da energia; e iii) a definição de calor como energia em trânsito, em conseqüência da diferença de temperatura. A conversão de energia, pelo primeiro princípio da termodinâmica, engloba calor, trabalho e qualquer outra forma de energia, e as equações 1 e 2 podem ser reescritas para essas formas de energia. A realização de trabalho e o fluxo de calor são formas de variar a energia interna de um corpo. Portanto, é impossível separar fisicamente ou dividir a energia interna em uma parte mecânica e outra térmica, mas é possível avaliar essas quantidades. A capacidade de realizar trabalho mecânico e utilizá-lo nos processos energéticos é primordial e acaba se tornando medida universal de qualidade, principalmente quando a partir dele se pode chegar, pela conversão, a qualquer outra forma de energia (VAN WYLEN et al., 1998).

20

Segundo princípio da termodinâmica

Enunciado de Kelvin-Planck - É impossível construir um dispositivo que opere num ciclo termodinâmico e não produza outros efeitos além do levantamento de um peso e da troca de calor com um único reservatório térmico. Portanto, é impossível construir um motor térmico que, operando segundo um ciclo, receba uma quantidade de calor de um corpo com alta temperatura e produza igual quantidade de trabalho. Ainda, não se desenvolveu uma máquina com capacidade de converter calor extraído de um reservatório em trabalho sem rejeitar algum calor para outro reservatório com temperatura menor. Daí dizer-se que é impossível construir um motor térmico que tenha eficiência de 100%. O máximo rendimento ( ) da transformação de calor em trabalho é dado pela equação 3, ciclo de Carnot, em condições de reversibilidades. 2 1 T T 1 ₍₃₎ em que

T1 e T2 = temperatura absoluta das fontes fria e quente, K,

respectivamente.

Enunciado de Clausius - É impossível construir um dispositivo que opere segundo um ciclo e não produza outros efeitos além da transferência de calor de um corpo frio para um corpo quente.

O calor não pode, por si só, passar de um corpo com menor temperatura para outro com temperatura maior. Estabelece o enunciado que é também impossível construir um refrigerador que opere sem receber trabalho.

O importante desses enunciados é o fato de eles serem equivalentes. Portanto, a validade de um implica na validade do outro, e a violação de um implica a violação do outro. Como exemplo, cita-se a compressão isotérmica de um gás perfeito que não altera a energia interna do sistema. O fornecimento de trabalho nesse caso, segundo o primeiro princípio da termodinâmica, gera calor, mas não esclarece o que é feito do calor que atravessa a fronteira, energia em trânsito. A análise energética é incapaz de mensurar a

21

disponibilidade de energia do sistema capaz de gerar trabalho, conforme indicado pela equação 4.

DISPONÍVEL ÚTIL Energia Energia energética Eficiência (4)

A energia é transferida para o meio ambiente, mas também ocorre aumento de pressão no gás, que aumenta sucessivamente a disponibilidade energética. O ar comprimido, a temperatura ambiente, expandido gera trabalho e retira do meio ambiente igual quantidade de calor. Portanto, a diferença que torna marcante o conceito de exergia é a parte líquida transformável da energia em qualquer outro tipo de energia (equação 5).

Exergia = Energia 0 1 (5)

em que é igual à fração da energia convertível em trabalho útil.

A de

esse conceito é fundamentado na relação entre as eficiências de PPT e SPT, por fatores de conversão energia/exergia, conforme indicado pela equação 6 (OLIVEIRA FILHO,1995).

(6)

em que

= eficiência exergética; = eficiência energética; e

1 e 2 = índices tecnológicos dos equipamentos e processos de

conversão de energia.

A equação 6 indica que a análise exergética contém em si a análise energética. Contudo, não se pode falar que a análise exergética depende somente da energética. A eficiência do segundo princípio da termodinâmica depende também dos índices tecnológicos dos equipamentos e processos de

2 1

22

conversão de energia (fração da energia convertível em trabalho útil, conforme a equação 5).

A equação 7 é a usada para calcular a eficiência exergética.

DISPONÍVEL ÚTIL DISPONÍVEL ÚTIL Exergia Exergia Trabalho Trabalho (7)

Na Figura 1, apresenta-se o esquema da análise de diferentes fontes alimentando diferentes usos finais.

Recurso Uso final 1

natural 1 Equipamentos de conversão de energia

Recurso Uso final n

natural n

Figura 1 - Esquema da análise de diferentes fontes alimentando diferentes usos finais.

Para a matriz da Figura 1, calcula-se o rendimento de primeiro e segundo princípios da termodinâmica, e assim se associa um índice de rendimentos exergético e energético a cada equipamento de conversão do sistema. Em máquinas térmicas, o rendimento exergético é estabelecido pelo ciclo de Carnot como limite. O valor da irreversibilidade gerada será inversamente proporcional ao rendimento exergético estimado para cada uso final a que se destina a energia requerida; assim, a habilidade da análise exergética representa a degradação ambiental.

Pode-se atribuir tarifa associada aos rendimentos energéticos e exergéticos, segundo ambos os princípios da termodinâmica (COSTA, 2000). O peso atribuído a cada parcela dos rendimentos utilizados será em função da importância que os mecanismos reguladores darão aos usos quantitativo e qualitativo da energia.

23