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 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; 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. SIM ! Frio Quente 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 Kelvin-Plank 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 NÃO ! Wciclo Sistema percorrendo um ciclo termodinâmico

O Enunciado de Kelvin-Planck 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 To 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: Troca de calor em corpos com diferença infinitesimal de temperatura Pêndulo no vácuo com atrito pequeno no pivô Gás expandido e comprimido adiabaticamente num cilindro-pistão

Interpretação do enunciado de Kelvin-Plank 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, segue-se 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 massa-polia também.

Conclusões do Enunciado de Kelvin-Plank Para sistemas executando um ciclo, sem irreversibilidades: Para sistemas executando um ciclo, com irreversibilidades:

Ciclo de Carnot 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 Expansão Adiabática Expansão Isotérmica Compressão Isotérmica Compressão Adiabática QH QL Base Isolada Base Isolada Reservatório Quente Reservatório Frio Ciclo de Carnot para gás ideal como substância de trabalho Processo 1-2 Processo 2-3 Processo 3-4 Processo 4-1

Pressão Wliquido Volume

5- 2a Lei da Termodinâmica 5.3- Ciclo de Carnot O ciclo de Carnot consiste em 4 processos externamente reversíveis. São eles: 1-2  Um processo isotérmico reversível, através da transferência de calor, QH, do reservatório a alta temperatura, TH , para o sistema; 2-3  Um processo adiabático reversível, onde a temperatura do fluido de trabalho diminui desde a temperatura, TH , até a baixa temperatura, TL; 3-4  Um processo isotérmico reversível, através da transferência de calor, QL, do sistema para o reservatório de baixa temperatura TL; 4-1  Um processo adiabático reversível, onde a temperatura do fluido de trabalho aumenta desde a baixa temperatura, TL, até a alta temperatura, TH.

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, tem-se:

Eficiência de Ciclos de Potência Sistema percorrendo um ciclo de potência Eficiência térmica do ciclo Se não houvesse a transferência de calor para o reservatório frio, a eficiência seria de 100%; Porém, sem o reservatório frio viola-se o enunciado de Kelvin-Plank; Decorre daí um corolário de Carnot, que diz: todos os ciclos de potência têm eficiência menor que 100%.

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 TH Mas, para um ciclo externamente reversível, tem-se: QH W refrigerador ou QL Logo: TL

Mas, para um ciclo externamente reversível, tem-se: Ciclo de Bomba de calor TH Mas, para um ciclo externamente reversível, tem-se: QH W Bomba ou QL Logo: TL

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 8000kJ/h e a potência de entrada necessária para operar o refrigerador é de 3200kJ/h. 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 6,3 x 105 kJ/dia para manter a sua temperatura em 21,1 °C quando a temperatura externa é 0°C (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 kW.h, 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: QL = 1500 kJ, Wciclo = 150 kJ QL = 1400 kJ, QH = 1600 kJ QH = 1600 kJ, Wciclo = 400 kJ =5 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 ?