Segunda Lei da Termodinamica - Entropia e Aplicacoes

A Segunda Lei da Termodinâmica Termodinâmica I Equilíbrio de fases Termodinâmica I Objetivos da aula Identificar as limitações da primeira lei da termodinâmica Identificar as utilidades da segunda lei da termodinâmica Entender o significado de entropia Entender como aplicar a segunda lei da termodinâmica em sistemas fechados Entender como aplicar a segunda lei da termodinâmica em sistemas abertos A Segunda Lei da Termodinâmica Cap 5 Cap 3 Leia também A Primeira Lei da Termodinâmica Para que um determinado processo ocorra ele deve obedecer a primeira lei da termodinâmica A primeira lei não garante que o processo realmente irá acontecer Contudo A Primeira Lei da Termodinâmica A transferência de calor da caneca sistema para o ambiente vizinhanças obedece a 1ª Lei A transferência de calor no sentido contrário também obedece o princípio de conservação de energia Primeira Lei da Termodinâmica Como saber se um processo pode ou não ocorrer Em que direção o processo ocorre Primeira Lei Balanço de energia Energia interna u Entalpia h Calor Q Trabalho W Energia cinética Ek Energia potencial Ep Segunda Lei Entropia s Balanço de entropia s A Segunda Lei da Termodinâmica Utilizada para prever a direcionalidadeespontaneidade de processos Utilizada para prever a reversibilidade e irreversibilidade de processos A Segunda Lei da Termodinâmica Expansão irreversível Expansão reversível Idealização Máximo expansão e mínimo compressão trabalho que podemos obter de uma sistema A Segunda Lei da Termodinâmica 0 05 1 15 2 25 0 1 2 3 P bar v m³mol 1 2 Processo reversível 0 05 1 15 2 25 0 002 004 006 008 01 P bar v m³mol 2 Processo irreversível 1 Não possui direcionalidade O processo é possível Estamos perto ou longe de um processo reversível A Segunda Lei da Termodinâmica A Segunda Lei da Termodinâmica Entropia Não existe uma definição de entropia mas maneiras de calcular variações dessa propriedade A variação de entropia de um sistema está relacionada com a transferência de calor d𝑆 𝛿𝑞𝑟𝑒𝑣 𝑇 A Segunda Lei da Termodinâmica Entropia Calor Entropia Adição de energia na forma de calor A Segunda Lei da Termodinâmica Entropia Adição de energia na forma de calor Aumenta a possibilidade de configurações diferentes do sistema Aumenta o grau de desordem Calor Entropia Entropia Entropia A Segunda Lei da Termodinâmica Entropia 𝑽 A adição de calor liberou energia na forma de trabalho mas parte da energia foi utilizada para aumentar a entropia A conversão de calor em trabalho nunca é 100 Calor Entropia A Segunda Lei da Termodinâmica Entropia Calor é uma forma de energia menos útil do que igual quantidade de energia mecânica ou elétrica Calor Entropia Para transformar calor em trabalho é necessário utilizar dispositivos máquinas térmicas A Segunda Lei da Termodinâmica 𝑆𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 𝑆𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑆𝑣𝑖𝑧𝑖𝑛ℎ𝑎𝑛ç𝑎𝑠 2ª Lei para sistemas fechados A Segunda Lei da Termodinâmica 𝑆𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 𝑆𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑆𝑣𝑖𝑧𝑖𝑛ℎ𝑎𝑛ç𝑎𝑠 𝑆𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 0 Processo irreversível 𝑆𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 0 Processo reversível 𝑆𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 0 Processo impossível Para um processo de interesse calculase a variação de entropia do universo 2ª Lei para sistemas fechados A Segunda Lei da Termodinâmica Para todo processo reversível a entropia do universo permanece inalterada enquanto que para processos irreversíveis a entropia do universo aumenta Calor não pode ser transferido de um corpo frio para um corpo quente de forma espontânea É impossível construir uma máquina que opera em ciclos que converta toda a energia na forma de calor em trabalho A Segunda Lei da Termodinâmica 𝑆𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 𝑆𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑆𝑣𝑖𝑧𝑖𝑛ℎ𝑎𝑛ç𝑎𝑠 Considerações importantes Se um sistema sofre um processo irreversível mesmo assim a sua variação de entropia será calculada com base no 𝑞𝑟𝑒𝑣 𝑆𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 න 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑞𝑟𝑒𝑣 𝑇 S é uma propriedade termodinâmica não depende do processo 1 A Segunda Lei da Termodinâmica 𝑆𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 𝑆𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑆𝑣𝑖𝑧𝑖𝑛ℎ𝑎𝑛ç𝑎𝑠 Considerações importantes A variação de entropia das vizinhanças não depende da reversibilidade ou irreversibilidade da transferência de calor desde que a magnitude de 𝑞 seja a mesma Macroscopicamente podemos imaginar o mesmo efeito nas vizinhanças para uma determinada quantidade de transferência de calor 2 As vizinhanças são consideradas reservatórios de calor são supostamente capazes de absorver ou rejeitar uma quantidade infinita de calor sem variação de temperatura 𝑆𝑣𝑖𝑧𝑖𝑛ℎ𝑎𝑛ç𝑎𝑠 𝑄𝑣𝑖𝑧 𝑇𝑣𝑖𝑧 3 A Segunda Lei da Termodinâmica 𝑆𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 𝑆𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑆𝑣𝑖𝑧𝑖𝑛ℎ𝑎𝑛ç𝑎𝑠 Considerações importantes Se o processo for adiabático Q0 4 𝑆𝑣𝑖𝑧𝑖𝑛ℎ𝑎𝑛ç𝑎𝑠 𝑄𝑣𝑖𝑧 𝑇𝑣𝑖𝑧 0 A Segunda Lei da Termodinâmica 𝑆𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 𝑆𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑆𝑣𝑖𝑧𝑖𝑛ℎ𝑎𝑛ç𝑎𝑠 2ª Lei para sistemas fechados 𝑆𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 න 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑞𝑟𝑒𝑣 𝑇 𝑄𝑣𝑖𝑧 𝑇𝑣𝑖𝑧 𝑆𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 න 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑞𝑟𝑒𝑣 𝑇 𝑄𝑣𝑖𝑧 𝑇𝑣𝑖𝑧 0 A Segunda Lei da Termodinâmica 2ª Lei para sistemas fechados 𝑆𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 න 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑞𝑟𝑒𝑣 𝑇 𝑄𝑣𝑖𝑧 𝑇𝑣𝑖𝑧 0 Relacionar com a 1ª Lei 𝑆𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 𝑛𝑑𝑆 𝑄𝑣𝑖𝑧 𝑇𝑣𝑖𝑧 0 𝑆𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 𝑛𝑠𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑠𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑄𝑣𝑖𝑧 𝑇𝑣𝑖𝑧 0 Cálculos envolvendo um gás ideal Cálculos envolvendo a água 0 05 1 15 2 25 3 35 0 50 100 150 P T A Segunda Lei da Termodinâmica 2ª Lei para sistemas fechados cálculos de processo envolvendo um gás ideal 2 1 II Caminho real I expansão isotérmica reversível I II aquecimento isobárico reversível 𝑆𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 න 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑞𝑟𝑒𝑣 𝑇 𝑄𝑣𝑖𝑧 𝑇𝑣𝑖𝑧 0 0 05 1 15 2 25 3 35 0 50 100 150 P T A Segunda Lei da Termodinâmica 2ª Lei para sistemas fechados cálculos de processo envolvendo um gás ideal 2 1 II Caminho real I expansão isotérmica reversível 𝑢 𝑞𝑟𝑒𝑣 𝑤𝑟𝑒𝑣 𝑞𝑟𝑒𝑣 𝑤𝑟𝑒𝑣 𝑃𝑑𝑣 I 𝑆𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 න 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑞𝑟𝑒𝑣 𝑇 𝑄𝑣𝑖𝑧 𝑇𝑣𝑖𝑧 0 I expansão isotérmica reversível 0 05 1 15 2 25 3 35 0 50 100 150 P T A Segunda Lei da Termodinâmica 2ª Lei para sistemas fechados cálculos de processo envolvendo um gás ideal 2 1 II Caminho real I expansão isotérmica reversível 𝑢 𝑞𝑟𝑒𝑣 𝑤𝑟𝑒𝑣 𝑞𝑟𝑒𝑣 𝑤𝑟𝑒𝑣 න 𝑃𝑑𝑣 I 𝑆𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 න 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑞𝑟𝑒𝑣 𝑇 𝑄𝑣𝑖𝑧 𝑇𝑣𝑖𝑧 0 I expansão isotérmica reversível 𝑠𝐼 න 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑃 𝑇 𝑑𝑣 න 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑅 𝑣 𝑑𝑣 𝑅𝑙𝑛 𝑣𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑣𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑃𝑣 𝑅𝑇 0 05 1 15 2 25 3 35 0 50 100 150 P T A Segunda Lei da Termodinâmica 2ª Lei para sistemas fechados cálculos de processo envolvendo um gás ideal 2 1 II Caminho real I expansão isotérmica reversível I 𝑆𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 න 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑞𝑟𝑒𝑣 𝑇 𝑄𝑣𝑖𝑧 𝑇𝑣𝑖𝑧 0 I expansão isotérmica reversível 𝑠𝐼 න 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑃 𝑇 𝑑𝑣 න 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑅 𝑣 𝑑𝑣 𝑅𝑙𝑛 𝑣𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑣𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑃𝑣 𝑅𝑇 𝑠𝐼 𝑅𝑙𝑛 𝑅𝑇1 𝑃2 𝑅𝑇1 𝑃1 𝑅𝑙𝑛 𝑃1 𝑃2 𝑅𝑙𝑛 𝑃2 𝑃1 0 05 1 15 2 25 3 35 0 50 100 150 P T A Segunda Lei da Termodinâmica 2ª Lei para sistemas fechados cálculos de processo envolvendo um gás ideal 2 1 II Caminho real I expansão isotérmica reversível I 𝑆𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 න 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑞𝑟𝑒𝑣 𝑇 𝑄𝑣𝑖𝑧 𝑇𝑣𝑖𝑧 0 II aquecimento isobárico reversível 𝑞𝑟𝑒𝑣 ℎ 𝐶𝑃𝑇 𝑠𝐼𝐼 න 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝐶𝑃 𝑇 𝑑𝑇 න 𝑇1 𝑇2 𝐶𝑃 𝑇 𝑑𝑇 0 05 1 15 2 25 3 35 0 50 100 150 P T A Segunda Lei da Termodinâmica 2ª Lei para sistemas fechados cálculos de processo envolvendo um gás ideal 2 1 II Caminho real I expansão isotérmica reversível I 𝑆𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 න 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑞𝑟𝑒𝑣 𝑇 𝑄𝑣𝑖𝑧 𝑇𝑣𝑖𝑧 0 𝑠𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑅𝑙𝑛 𝑃2 𝑃1 න 𝑇1 𝑇2 𝐶𝑃 𝑇 𝑑𝑇 𝑠𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑠𝐼 𝑠𝐼𝐼 A Segunda Lei da Termodinâmica 2ª Lei para sistemas fechados cálculos de processo envolvendo um gás ideal 𝑆𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 න 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑞𝑟𝑒𝑣 𝑇 𝑄𝑣𝑖𝑧 𝑇𝑣𝑖𝑧 0 𝑠𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 න 𝑇1 𝑇2 𝐶𝑃 𝑇 𝑑𝑇 𝑅𝑙𝑛 𝑃2 𝑃1 Podem ser utilizadas sempre para gás ideal 𝑠𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 න 𝑇1 𝑇2 𝐶𝑃 𝑇 𝑑𝑇 𝑅𝑙𝑛 𝑣2 𝑣1 A Segunda Lei da Termodinâmica 2ª Lei para sistemas abertos A Segunda Lei da Termodinâmica 2ª Lei para sistemas abertos 𝑆𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 𝑆𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑆𝑣𝑖𝑧𝑖𝑛ℎ𝑎𝑛ç𝑎𝑠 0 Equação para sistemas fechados 𝑑𝑆 𝑑𝑡 𝑢𝑛𝑖𝑣 𝑑𝑆 𝑑𝑡 𝑠𝑖𝑠𝑡 𝑑𝑆 𝑑𝑡 𝑣𝑖𝑧 0 Termo do sistema 𝑑𝑆 𝑑𝑡 𝑠𝑖𝑠𝑡 0 EE A Segunda Lei da Termodinâmica 2ª Lei para sistemas abertos 𝑑𝑆 𝑑𝑡 𝑢𝑛𝑖𝑣 𝑑𝑆 𝑑𝑡 𝑠𝑖𝑠𝑡 𝑑𝑆 𝑑𝑡 𝑣𝑖𝑧 0 Termo das vizinhanças 𝑑𝑆 𝑑𝑡 𝑣𝑖𝑧 𝑠 ሶ𝑛𝑠𝑠 𝑒 ሶ𝑛𝑒𝑠 ሶ𝑄𝑣𝑖𝑧 𝑇𝑣𝑖𝑧