Trocas de Calor e a Segunda Lei da Termodinâmica

Troca de calor espontânea Um objeto a uma temperatura elevada Ti é colocado em contato com o ar atmosférico à To Ti Com o tempo ele troca calor com a atmosfera E no final atingirá a temperatura das vizinhanças Apesar da energia total do sistema ser conservada o processo inverso não ocorre espontaneamente Processos espontâneos Expansão espontânea Massa em queda A Direção dos Processos Nos exemplos anteriores percebese que a lei da conservação é respeitada porém não é possível realizar espontaneamente os processos inversos para isso seria necessário um dispositivo auxiliar Quando se utiliza a Segunda Lei da Termodinâmica é possível determinar as direções preferenciais de um processo assim como o estado final do equilíbrio de uma interação de energia A segunda lei é capaz de avaliar qual o máximo trabalho teórico que seria possível de se obter de sistemas em desequilíbrio E como não existe um aproveitamento perfeito a Segunda Lei também torna possível a avaliação dos fatores de perda de oportunidades de realizar trabalho Enunciado de Clausius da Segunda Lei É impossível para qualquer sistema operar de maneira que o único efeito seja uma transferência de energia sob a forma de calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente Frio Quente SIM NÃO Analisando o enunciado de Clausius O enunciado de Clausius não excluí a possibilidade da transferência de calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente isso ocorre nos refrigeradores Entretanto as palavras único efeito sugerem que isso possa ocorrer desde que seja fornecida energia trabalho ao sistema Frio Quente Conceito de Reservatório Térmico Reservatório Térmico É um sistema idealizado onde a temperatura permanece constante mesmo que energia na forma de calor seja adicionada ou removida Exemplos atmosfera terrestre oceanos lagos substâncias mudando de fase Enunciado de KelvinPlank da Segunda Lei É impossível para qualquer sistema operar em um ciclo termodinâmico e fornecer uma quantidade líquida de trabalho para as suas vizinhanças enquanto recebe energia por transferência de calor de um único reservatório térmico Reservatório térmico Qciclo Wciclo Sistema percorrendo um ciclo termodinâmico NÃO O Enunciado de KelvinPlanck diz que o calor não pode ser convertido completamente e continuamente em trabalho A experiência mostra que o processo reverso é o processo natural o trabalho pode ser completa e continuamente convertido em calor Identificando Irreversibilidades Um processo é chamado irreversível se o sistema e todas as partes que compõem suas vizinhanças não puderem ser restabelecidos exatamente aos seus respectivos estados iniciais após a ocorrência do processo Um processo é reversível se tanto o sistema quanto suas vizinhanças puderem retornar aos seus estados iniciais Tipos e exemplos de Irreversibilidades Irreversibilidades internas são aquelas que ocorrem dentro do sistema Irreversibilidades externas são aquelas que ocorrem nas vizinhanças fora do sistema Sistema T o Ti vizinhança Processo internamente reversível todas as propriedades intensivas são uniformes isto é temperatura pressão volume específico e outras propriedades não variam com a posição Tipos e exemplos de Irreversibilidades São exemplos de irreversibilidades Transferência de calor através de uma diferença de temperatura Reações químicas espontâneas Misturas espontâneas Atrito Fluxo de corrente elétrica Deformação inelástica Processos Reversíveis Processos Reversíveis são aqueles onde são restabelecidas as propriedades iniciais Porém é um conceito hipotético e utópico Exemplos de processos que podem ser aproximados por processos reversíveis Pêndulo no vácuo com atrito pequeno no pivô Gás expandido e comprimido adiabaticamente num cilindropistão Troca de calor em corpos com diferença infinitesimal de temperatura Interpretação do enunciado de KelvinPlank Considere que no sistema da figura não existem irreversibilidades logo o sistema retorna ao seu estado inicial ao final de um ciclo Já que Wciclo 0 para não violar a segunda lei não haveria variação líquida na altura da massa Já que Wciclo Qciclo seguese que Qciclo 0 logo não haveria variação líquida nas condições do reservatório térmico Sistema percorrendo um ciclo enquanto troca energia calor com um único RT RT é livre de irreversibilidades O Sistema massapolia também Conclusões do Enunciado de KelvinPlank Para sistemas executando um ciclo sem irreversibilidades Para sistemas executando um ciclo com irreversibilidades Um exemplo de ciclo externamente reversível é o ciclo de Carnot O ciclo de Carnot é assim chamado em homenagem ao engenheiro francês Sadi Carnot 1796 à 1832 após a publicação em 1824 do livro Reflexões acerca da potência motora do calor e das máquinas apropriadas para desenvolver esta potência Ciclo de Carnot Processo 12 Processo 23 Processo 34 Processo 41 Base Isolada Base Isolada Reservatório Quente Reservatório Frio Expansão Isotérmica Expansão Adiabática Compressão Isotérmica Compressão Adiabática Ciclo de Carnot para gás ideal como substância de trabalho QH QL Ciclo de Carnot 5 2a Lei da Termodinâmica O ciclo de Carnot consiste em 4 processos externamente reversíveis São eles 12 Um processo isotérmico reversível através da transferência de calor QH do reservatório a alta temperatura TH para o sistema 23 Um processo adiabático reversível onde a temperatura do fluido de trabalho diminui desde a temperatura TH até a baixa temperatura TL 34 Um processo isotérmico reversível através da transferência de calor QL do sistema para o reservatório de baixa temperatura TL 41 Um processo adiabático reversível onde a temperatura do fluido de trabalho aumenta desde a baixa temperatura TL até a alta temperatura TH 53 Ciclo de Carnot Eficiência de Carnot Todas as máquinas térmicas externamente reversíveis que operam entre os mesmos dois reservatórios térmicos têm a mesma eficiência térmica a eficiência térmica de uma máquina térmica irreversível é sempre menor que a eficiência de uma máquina térmica reversível Eficiência de Carnot A eficiência térmica de uma máquina térmica internamente reversível é função somente das temperaturas dos reservatórios térmicos pois a temperatura é a única propriedade relevante de um reservatório logo Para um ciclo externamente reversível temse Eficiência de Ciclos de Potência Se não houvesse a transferência de calor para o reservatório frio a eficiência seria de 100 Porém sem o reservatório frio violase o enunciado de KelvinPlank Decorre daí um corolário de Carnot que diz todos os ciclos de potência têm eficiência menor que 100 Sistema percorrendo um ciclo de potência Eficiência térmica do ciclo Eficiência de Carnot Assim a eficiência térmica para as máquinas térmicas internamente reversíveis é dada por Nenhuma máquina térmica pode ter uma eficiência térmica mais alta que a eficiência de Carnot quando operando entre os mesmos dois reservatórios térmicos Exercício 1 Um inventor afirma ter desenvolvido um ciclo de potência capaz de fornecer uma saída líquida de trabalho de 410 kJ através de uma entrada de energia por transferência de calor de 1000 kJ O sistema percorrendo o ciclo recebe a transferência de calor de gases quentes à temperatura de 227oC e descarrega energia por transferência de calor para a atmosfera a 27oC Avalie esta afirmação Coeficiente de desempenho dos ciclos de refrigeração e bomba de calor reversíveis Ciclo de Refrigeração Mas para um ciclo externamente reversível temse ou QH QL TH W TL refrigerador Logo Ciclo de Bomba de calor Mas para um ciclo externamente reversível temse ou QH QL TH W TL Bomba Logo Exercício 2 Pela circulação em regime permanente de um fluido refrigerante a uma baixa temperatura através de passagens nas paredes do compartimento do congelador um refrigerador mantém o compartimento do congelador a 5oC quando a temperatura do ar circundando o refrigerador é de 22oC A taxa de transferência de calor entre o compartimento do congelador e o refrigerante é de 8000kJh e a potência de entrada necessária para operar o refrigerador é de 3200kJh Determine o coeficiente de desempenho do refrigerador e compare com o coeficiente de desempenho de um ciclo de refrigeração reversível operando entre reservatórios às mesmas temperaturas Exercício 3 Uma residência requer 63 x 105 kJdia para manter a sua temperatura em 211 C quando a temperatura externa é 0C a Se uma bomba de calor elétrica é usada para suprir essa energia determine o fornecimento de trabalho teórico mínimo para um dia de operação b Estimando a eletricidade em 8 centavos por kWh determine o custo teórico mínimo para operar a bomba de calor em dia Exercício 4 Um ciclo de refrigeração operando entre dois reservatórios recebe a energia QL do reservatório frio a TL 280 K e rejeita a energia QH para o reservatório quente a TH 320 K Para cada um dos seguintes casos de termine se o ciclo opera reversivelmente irreversivelmente ou é impossível a QL 1500 kJ Wciclo 150 kJ b QL 1400 kJ QH 1600 kJ c QH 1600 kJ Wciclo 400 kJ d β5 Exercício 5 Um congelador doméstico opera numa sala onde a temperatura é 20ºC Para manter a temperatura do espaço refrigerado em 30ºC é necessário uma taxa de transferência de calor do espaço refrigerado igual a 2 kW Qual é a mínima potência necessária para operar esse congelador