Aula 7: Continuação da segunda Lei da Termodinâmica Denise Weiss.

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1 Aula 7: Continuação da segunda Lei da Termodinâmica Denise Weiss

2 A segunda lei da termodinâmica é a que tem maior aplicação na construção de máquinas e utilização na indústria, pois trata diretamente do rendimento das máquinas térmicas. Dois enunciados: Clausius e Kelvin-Planck:

3 Enunciado de Clausius: O calor não pode fluir, de forma espontânea, de um corpo de temperatura menor, para um outro corpo de temperatura mais alta.

4 Enunciado de Clausius: Tendo como consequência que o sentido natural do fluxo de calor é da temperatura mais alta para a mais baixa, e que para que o fluxo seja inverso é necessário que um agente externo realize um trabalho sobre este sistema.

5 Enunciado de Kelvin-Planck: É impossível a construção de uma máquina que, operando em um ciclo termodinâmico, converta toda a quantidade de calor recebido em trabalho.

6 Enunciado de Kelvin-Planck: Este enunciado implica que, não é possível que um dispositivo térmico tenha um rendimento de 100%, ou seja, por menor que seja, sempre há uma quantidade de calor que não se transforma em trabalho efetivo.

7 Maquinas térmicas As máquinas térmicas foram os primeiros dispositivos mecânicos a serem utilizados em larga escala na indústria, por volta do século XVIII. Na forma mais primitiva, era usado o aquecimento para transformar água em vapor, capaz de movimentar um pistão, que por sua vez, movimentava um eixo que tornava a energia mecânica utilizável para as indústrias da época. Chamamos máquina térmica o dispositivo que, utilizando duas fontes térmicas, faz com que a energia térmica se converta em energia mecânica (trabalho).

8 Maquinas térmicas

9 A fonte térmica fornece uma quantidade de calor que no dispositivo transforma-se em trabalho mais uma quantidade de calor que não é capaz de ser utilizado como trabalho. Assim é válido que: W = Q1 – Q2

10 Máquina térmica de resfriamento:

11 Neste caso, o fluxo de calor acontece da temperatura menor para o a maior. Mas conforme a 2ª Lei da Termodinâmica, este fluxo não acontece espontaneamente, logo é necessário que haja um trabalho externo.

12 Troca de calor espontânea T i T o T i Um objeto a uma temperatura elevada T i é colocado em contato com o ar atmosférico à T o < T i ; Com o tempo ele troca calor com a atmosfera E no final atingirá a temperatura das vizinhanças 12

13 Troca de calor espontânea T i T o T i Um objeto a uma temperatura elevada T i é colocado em contato com o ar atmosférico à T o < T i ; 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, espontaneamente o processo inverso não ocorre espontaneamente 13

14 Processos espontâneos Expansão espontânea Massa em queda 14

15 A Direção dos Processos dispositivo auxiliar Nos exemplos anteriores percebe-se que a lei da conservação é respeitada, porém não é possível realizar espontaneamente os processos inversos, para isso seria necessário um dispositivo auxiliar; direções preferenciais 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. 15

16 Oportunidadespara desenvolver trabalho Oportunidades para desenvolver trabalho Quando existe um desequilíbrio entre dois sistemas, existe uma oportunidade de realizar trabalho enquanto eles caminham para o equilíbrio; perdido Esse trabalho seria perdido caso fosse permitido que os sistemas chegassem ao equilíbrio de forma descontrolada; 16

17 O Trabalho Máximo que pode ser obtido nessa Oportunidade máximo trabalho teórico A segunda lei é capaz de avaliar qual o máximo trabalho teórico que seria possível de se obter de sistemas em desequilíbrio; aproveitamento perfeito E como não existe um aproveitamento perfeito, a Segunda Lei também torna possível a avaliação dos fatores de perda de oportunidades de realizar trabalho. 17

18 Aspectos da Segunda Lei Além de: Prever a direção dos processos, Estabelecer as condições de equilíbrio, Determinar o melhor desempenho teórico de sistemas e Avaliar fatores de perda de oportunidades, A Segunda Lei também é capaz de: Definir uma escala de temperatura universal, Avaliar propriedades em ensaios experimentais, Desenvolver conceitos de economia e filosofia e ser usada em muitas outras aplicações. 18

19 Definições da Segunda Lei O Estudo da Segunda Lei da Termodinâmica, formalmente, remonta às primeiras décadas do século XIX. Há várias definições (ou enunciados) da Segunda Lei. Todas elas são equivalentes. São baseadas em observações experimentais. enunciado de Clausius e de Kelvin-Planck Neste curso estaremos interessados em duas dessas definições (os enunciado de Clausius e de Kelvin-Planck). 19

20 Definições da Segunda Lei Entropia. Rudolph Julius Emmanuel Clausius – Físico e Matemático alemão. Responsável por reformular as Leis da Termodinâmica (1850) e criar o termo Entropia. Lord Kelvin (William Thomson) – Físico Matemático e Engenheiro irlandês. Realizou estudos nas área de Termodinâmica e Eletromagnetismo. Lord Kelvin (William Thomson) – Físico Matemático e Engenheiro irlandês. Realizou estudos nas área de Termodinâmica e Eletromagnetismo. Max Planck – Físico Alemão. Um dos fundadores da teoria quântica. Nobel de Física em 1918. Max Planck – Físico Alemão. Um dos fundadores da teoria quântica. Nobel de Física em 1918. 20

21 Enunciado de Clausius da Segunda Lei único efeito 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 ! 21

22 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. FrioQuente 22

23 Conceito de Reservatório Térmico temperatura permanece constante 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,... 23

24 Enunciado de Kelvin-Plank da Segunda Lei operar em um ciclo termodinâmico“líquida” de trabalho 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 Q ciclo W ciclo Sistema percorrendo um ciclo termodinâmico NÃO ! 24

25 Explicando o enunciado de Kelvin-Plank Pela Primeira Lei: Pelo enunciado de Kelvin-Plank: Finalmente: 25