Resumo sobre a Segunda Lei da Termodinâmica e Máquinas Térmicas

franciscovillelaufpeledubr FÍSICA BÁSICA II SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA IFM DF É possível converter completamente uma certa quantidade de trabalho em calor todavia é impossível converter integralmente calor em trabalho Pressão Volume Pressão Volume TRANSFORMAÇÕES REVERSÍVEL E IRREVERSÍVEL Numa transformação reversível o sistema passa por uma sucessão de estados de equilíbrio que pode ser representada por uma linha contínua num diagrama pV processo ideal Numa transformação irreversível o sistema passa de um estado para outro por uma sucessão de estados de não equilíbrio não podendo ser representada por uma linha contínua num diagrama pV processo real i f T i f TRANSFORMAÇÃO CÍCLICA Num processo cíclico ciclo termodinâmico reversível o sistema num estado incial de equilíbrio passa por uma sucessão de processos reversíveis e retorna ao estado inicial de equilíbrio o estado final coincide com o estado inicial O trabalho total realizado pelo sistema Figura a é igual a soma do trabalho na expansão trabalho positivo com o trabalho na compressão trabalho negativo Se o ciclo é percorrido no sentido horário Figura b o trabalho total é positivo e é negativo se for percorrido no sentido antihorário Figua c Pelo fato do estado final coincidir com o estado inicial a variação de energia interna é nula portanto o trabaho total realizado é igual à quantidade total de calor trocada b c WAB 0 WBA 0 WTotal a Wtotal 0 PROCESSOS CÍCLICOS WTotal 0 WTotal 0 MÁQUINAS TÉRMICAS Q1 Q2 W Q1 Q2 Fonte Quente Fonte Fria T2 T1 Uma máquina térmica é um dispositivo que opera em ciclo retirando certa quantidade de calor Q1 de uma fonte quente a temperatura T1 realizando um trabalho sobre a vizinhança W Q1 Q2 e rejeitando calor Q2 numa fonte fria a temperatura T2 O rendimento de uma máquina térmica pode ser determinado pela razão entre o trabalho realizado sobre a vizinhança W Q1 Q2 por ciclo e a quantidade de calor Q1 retirada da fonte quente por ciclo O rendimento de uma máquina térmica n Q1 Q2 Q1 1 Q2 Q1 O Ciclo de Carnot é constituído por duas transformações isotérmicas reversíveis uma expansão e uma compressão e duas transformações adiabáticas reversíveis uma expansão e uma compressão O rendimento de Carnot n T1 T2 T1 1 T2 T1 T1 T2 Q1 Q2 W Volume Pressão Nas máquinas térmicas reais os processos são irreversíveis portanto possuem rendimento menor do que a Máquina de Carnot operando entre as mesmas temperaturas Um motor diesel tem rendimento da ordem de 40 num automável a gasolina é de 25 e numa máquina a vapor atinge 15 MÁQUINA DE CARNOT Segunda Lei da Termodinâmica É impossível um dispositivo operando em ciclo cujo único efeito seja a transformação integral de calor em trabalho Teorema de Carnot O rendimento de todas as máquinas térmicas reversíveis operando entre duas temperaturas é o mesmo e nenhuma máquina térmica irreversível operando entre as mesmas temperaturas pode ter rendimento superior A máquina térmica de Carnot opera segundo o Ciclo de Carnot trabalhando entre duas temperaturas quaisquer apresenta rendimento inferior a 100 Fonte Quente Fonte Fria Q1 Q2 W Q1 Q2 T1 T2 Um refrigerador é um dispositivo que opera em ciclo retirando calor Q2 de uma fonte fria a temperatura T2 recebendo trabalho da vizinhança W Q1 Q2 e rejeitando calor Q1 numa fonte quente a temperatura T1 A eficiência coeficiente de desempenho de um refrigerador é obtida pela razão entre a quantidadede calor retirada da fonte fria Q2 e o trabalho realizado sobre o sistema W Q1 Q2 REFRIGERADORES A eficiência coeficiente de desempenho de um refrigerador K Q2 Q1Q2 Num refrigerador doméstico o trabalho é realizado pelo compressor para transferir calor Q2 do interior do compartimento onde são guardados os alimentos fonte fria para o ambiente externo fonte quente Um Refrigerador de Carnot funciona segundo o ciclo de uma Máquina de Carnot operando em sentido inverso todos os processos são reversíveis A eficiência de um Refrigerador de Carnot refrigerador ideal pode ser escrita K T2 T1 T2 Segunda Lei da Termodinâmica É impossível um dispositivo que opere em ciclo ser capaz de produzir como único efeito a transferência de calor de uma fonte fria para uma fonte quente Motor Refrigerador W W Q1 Q1 Q2 Q2 MOTOR X REFRIGERADOR Caldeira Vapor Pistão Cilindro Roda Condensador Água de Resfriamento Válvula de Entrada Válvula de Saída Forno Água MÁQUINA A VAPOR Admissão Compressão Explosão Exaustão A B C D Carburador Carburador 1 2 3 4 MOTOR QUATRO TEMPOS Ciclo de um motor diesel uma transformação isobárica duas adiabáticas alternadas e uma isovolumétrica CICLO DIESEL Volume Pressão Adiabática Adiabática Exaustão Admissão p2 p1 V1 V2 Ciclo de um motor a gasolina duas transformações isovolumétricas e duas adiabáticas alternadas CICLO OTTO motor quatro tempos Volume Pressão 4 3 2 1 Q12 Q34 QDA QBC APLICAÇÕES 1 Um mol de um gás ideal monoatômico é submetido ao ciclo representado na figura Supondo que V 2V0 p 2p0 p0 1013 x 105 Nm2 Pa e V0 00225 m3 Calcular a o trabalho realizado durante o ciclo b o calor recebido no processo abc c o calor rejeitado no processo cda d a rendimento do ciclo e o rendimento de uma máquina de Carnot operando entre as temperaturas mais baixa e mais alta do ciclo 4 Um refrigerador perfeito retiraria calor da fonte fria para a fonte quente sem necessitar de trabalho O refrigerador de Carnot é um refrigerador perfeito Justificar a resposta 5 Uma máquina de Carnot opera entre as temperaturas de 127ºC e 327ºC absorvendo na fonte a temperatura mais alta 64 x 104 J por ciclo Calcular a o rendimento da máquina b o trabalho realizado por ciclo 2 Uma máquina térmica recebe na forma de calor 72 kJ e rejeita na forma de calor 36 kJ por ciclo Calcular a o rendimento da máquina b o trabalho realizado por ciclo 3 Uma máquina térmica de Carnot de potência 1200 W opera entre fontes de calor a temperaturas de 47ºC e 227ºC Calcular a taxa de calor a absorvida pela máquina b rejeitada pela máquina 6 Uma máquina de Carnot cuja fonte fria está a 7ºC apresenta rendimento 40 Determinar a elevação da temperatura da fonte quente para que o rendimento aumente para 50 7 Um condicionador de ar de Carnot retira calor de uma sala a 17ºC e transfere para o ambiente externo a 37ºC Determinar a quantidade de calor removida da sala para cada joule de energia elétrica consumida pelo aparelho 8 Um freezer de Carnot extrai por ciclo 60 kJ de calor do seu interior a temperatura de 13ºC e rejeita no ambiente a 27ºC Calcular a A eficiência do freezer b o calor rejeitado c o trabalho necessário por ciclo pelo freezer