A Segunda Lei da Termodinâmica e suas Implicações

The purpose of a refrigerator is to keep its contents cool Beyond the attendant increase in your electricity bill there is another good reason you should not try to cool the kitchen on a hot day by leaving the refrigerator door open What might this reason be Charles D Winters A Segunda Lei da Termodinâmica Evitar desperdícios Conservar energia A Energia total do Universo não muda A 1ª Lei não conta a história toda 2ª Lei trata da possibilidade ou impossibilidade de se aproveitar a energia É fácil transformar TRABALHO em ENERGIA TÉRMICA Porém é impossível que um sistema remova Etérmica de um único reservatório e converta essa energia completamente em W sem que haja mudanças adicionais no sistema ou em suas vizinhanças 2ª Lei ou Enunciado de Kelvin Existem outras formulações Ex Movimento com atrito Ti do sistema equilíbrio térmico com o ambiente W Einterna ΔT0 Como conseqüência haverá transformação de Etérmica para o ambiente vizinhança ΔEinterna Q W 0 Q W O caminho inverso não ocorre Não viola a 1ª lei mas viola a 2ª lei Processo irreversível ausência de simetria nos papéis de Q e W Outro exemplo a condução do calor É impossível produzir um processo cujo único resultado seja a transferência de energia térmica de um corpo frio para um corpo mais quente Enunciado de Clausius Máquina térmica é um dispositivo cíclico com o propósito de converter a maior quantidade possível de calor em trabalho mecânico Máquina de Heron matemático e físico que viveu na Alexandria Egito que descreveu a primeira máquina à vapor conhecida séc I dC Heron Denis Papin Thomas Savery Thomas Newcomen James Watt Inventores e aperfeiçoadores de máquinas térmicas Substância ou fluido de trabalho p Newcomens engine 1705 Copyright 2001 Kearneycom a b c d e f Travessa James Watt foi uma das primeiras na transformação em escala industrial de calor em trabalho mecânico Máquina de vapor em funcionamento Pela flecha vermelha à esquerda entra o vapor quente a válvula imediatamente fecha dependendo da pressão Pela flecha azul sai o vapor que passou pelo circuito no text Na gravura acima podemos observar uma instalação industrial do século XVIII As máquinas industriais eram acopladas a eixos que giravam graças a uma máquina térmica a vapor As locomotivas a vapor já existiam desde 1808 e fora dos trilhos os ônibus a vapor já circulavam comercialmente desde 1825 Motor a gasolina de Daimler Se Qc 0 e 1 ou 100 Máquinas térmicas mais eficientes e 40 Locomotivas e 10 Motores as gasolina e 50 Motores Diesel e 40 Ex 191 Durante cada ciclo uma máquina térmica absorve 200 J de calor de um reservatório quente realiza trabalho e rejeita 160 J para um reservatório frio Qual o rendimento da máquina Enunciado da segunda lei da termodinâmica relativo à máquina térmica É impossível construir uma máquina térmica operando em ciclos que produza o único efeito de extrair calor de um reservatório e realizar uma quantidade equivalente de trabalho A palavra ciclo é importante pois para um processo que não seja cíclico é possível converter calor completamente em trabalho Um gás ideal que sofre uma expansão isotérmica é um exemplo disso Uma máquina térmica tem um rendimento de 35 aQual o trabalho efetuado por ciclo considerando que a máquina recebe 150 J de energia térmica de um reservatório quente em cada ciclo bQue quantidade de energia térmica é descarregada no reservatório frio por ciclos a 525 J b 975 J EX ER CÍC IO 22 Motor radial usado em aviões com hélice Motor a vapor Máquina de costura 25 Engrenagem cruz de malta usado em relógios Mudanças manuais 27 Junta homocinética aquela que liga o motor à roda dianteira do carro permitindo que você ande e vire a roda ao mesmo tempo Disparo de canhão naval 29 Motor rotativo também chamado motor Wankel é um tipo de motor de combustão interna cujo design exclusivo converte a pressão em movimento de rotação sem uso de pistões admissão compressão Explosão e expansão Exaustão ou escapamento Ciclo de um Motor 2 Tempos moentes muhnões VOLANTE Motor rotativo Wankel Motor Rotativo de 4 rotores utilizado no Mercedes C111 Motor Rotativo de 2 rotores utilizado no carro esporte NSU INTAKE COMPRESSION COMBUSTION EXHAUST Exemplo 192 a calcule o rendimento do ciclo Otto b Expresse sua resposta em termos da razão entre os volumes O ciclo Diesel mostrado na Figura 1917 representa de forma aproximada o comportamento de um motor diesel O processo ab é uma compressão adiabática o processo bc é uma expansão a pressão constante o processo cd é uma expansão adiabática e o processo da é um resfriamento a volume constante Calcule o rendimento desse ciclo em termos dos volumes Va Vb Vc e Vd Refrigeradores Enunciado da segunda lei da termodinâmica relativo ao refrigerador É impossível construir um refrigerador que opere segundo um ciclo e produza o único efeito de extrair calor de um corpo frio e rejeitar a mesma quantidade de calor para um corpo quente COP coeficiente de desempenho Exemplo 193 Uma hora antes dos convidados começarem a chegar para sua festa você percebe de repente que esqueceu de comprar gelo para as bebidas Assim você põe às pressas um litro de água a 10 oC em bandejas de cubo de gelo e as coloca no congelador Você terá gelo a tempo para seus convidados O rótulo em seu refrigerador especifica que o equipamento tem um coeficiente de desempenho de 55 e uma potência avaliada em 550 W Estimase que somente 10 da potência são utilizados para formar o gelo Quanto maior o COP melhor é o refrigerador Freon CCl2F2 cujo ponto de ebulição é 30 oC a 1 atm Líquido a baixa pressão Válvula de expansão Sensor Qf calor rejeitado Serpentina de resfriamento parte interna do refrigerador Vapor a baixa pressão Trabalho Motor compressor Tomada de energia Teorema de Carnot 1824 Nenhuma máquina térmica que opere entre dois reservatórios térmicos dados pode ser mais eficiente do que uma máquina reversível que opere entre os mesmos dois reservatórios Publicação de um trabalho Reflexões sobre o poder motriz do fogo e sobre as máquinas adequadas para desenvolver esse poder Sadi Carnot 1824 Propôs um ciclo ideal cujo rendimento seria o maior possível Não deve haver nenhuma energia mecânica sendo transformada em energia térmica por atrito forças viscosas ou outras forças dissipativas Energy reservoir at Th Isothermal expansion Cycle Adiabatic compression Adiabatic expansion Isothermal compression e WQq Qq QfQq 1 QfQq QfQq TfTq ec 1 TfTq Ex 194 Uma máquina de Carnot opera entre um reservatório quente a 100 oC 373 K e um reservatório frio a 0 oC 273 K aQual o rendimento máximo possível dessa máquina e 268 bSe a máquina operar ao revés como um refrigerador qual será o coeficiente de desempenho máximo COP 273 Ex 195 Uma máquina remove 200 J de um reservatório quente a 100 oC 373 K realiza 48 J de trabalho e descarrega 152 J para um reservatório frio a 0 oC 273 K Que quantidade de trabalho é perdida por ciclo devido aos processos irreversíveis presentes na operação desta máquina Exercício Uma máquina de Carnot opera entre dois reservatórios de calor um a 500 K e o outro a 300 K aQual o rendimento desta máquina 40 bSe 200 kJ de calor forem removidos do reservatório quente que quantidade de trabalho poderia ser realizada 80kJ Exercício Uma máquina opera entre dois reservatórios de calor um a 500 K e o outro a 300 K Considerase que 500 kJ de calor são removidos do reservatório quente e que são realizados 150 kJ de trabalho durante cada ciclo Qual o rendimento dessa máquina 30 BOMBAS DE CALOR É uma espécie de refrigerador com objetivo diferente que é o de aquecer um corpo ou uma região de interesse A eficiência de uma bomba de calor é representada pelo coeficiente de performance COP que é dado pela seguinte fórmula Onde é o calor liberado para o reservatório quente é o calor extraído do reservatório frio é o trabalho realizado no compressor Ex 197 Uma bomba de calor ideal é usada para bombear o calor do ar externo a 5 oC para o sistema de calefação de uma casa a 40 oC Que quantidade de trabalho é necessária para bombear 1 kJ de calor para o interior da casa Irreversibilidade e Desordem Existe uma função termodinâmica chamada entropia S que é uma medida da desordem de um sistema É uma função do estado do sistema onde dQrev é a energia térmica que deve ser transferida para o sistema num processo reversível que leva o sistema do estado inicial ao final Entropia Entropia de um gás ideal Variações da entropia para vários processos ΔS para uma expansão isotérmica de um gás ideal ΔS 0 porque V2 V1 Nesse processo uma quantidade de calor Q é transferida do reservatório para o gás Num processo reversível a ΔSuniverso 0 ΔS para uma expansão livre de um gás ideal Num processo irreversível a entropia do universo aumenta Ou em qualquer processo a entropia do universo nunca diminui Ex 198 Calcule a variação de entropia na expansão livre de 075 mol de um gás ideal de V1 15 L até V2 3L ΔS para processos isobáricos ΔS para uma colisão inelástica A quantidade de energia que se torna indisponível num processo natural é diretamente proporcional ao aumento total de entropia ΔS que acompanha o processo Ex 199 Suponha que 1 kg de água na temperatura T1 30 oC seja adicionado a 2 kg de água a T2 90 oC num calorímetro de capacidade calorífica desprezível a uma pressão constante de 1 atm a Calcule a variação de entropia do sistema b Calcule a variação de entropia do universo Sistema bloco chão atmosfera Não há troca térmica entre o sistema e o exterior O estado do sistema se altera porque a Eint foi aumentada da quantidade mgh Ex 1910 Variação de entropia num ciclo de Carnot Durante cada ciclo uma máquina de Carnot remove 100 J de energia de um reservatório a 400 K efetua trabalho e descarrega calor para um reservatório a 300 K Calcule a variação de entropia de cada reservatório durante cada ciclo e mostre explicitamente que a variação de entropia do universo é nula para este processo reversível ΔS na condução de calor de um reservatório para outro La misérable race humaine périra par le froid Ce sera la fin Fig C12 Ilustrações e legendas que as acompanham reproduzidas da obra do astrônomo francês Camille Flammarion A miserável raça humana morrerá pelo frio Este será o fim Um bloco de cobre de 1 kg a 100C colocado no interior de um calorímetro de capacidade calorífica desprezível contendo 4 l de água a 0C Calcule a variação de entropia ΔS do bloco de cobre b da água e c do universo Um bloco de chumbo a 2 kg de chumbo a 100C colocado no interior de um lago a 10C calcule a variação de entropia do universo