Segunda Lei da Termodinâmica

Segunda Lei da Termodinâmica Os processos naturais são Irreversíveis Isto é, eles seguem a flecha do Tempo (atrito; reações químicas; equilíbrio térmico; mistura...) Apenas processos ideais de quase-equilíbrio são reversíveis Será preciso introduzir o conceito de Entropia para o estudo da irreversibilidade... mas inicialmente vamos entender o significado da segunda lei para máquinas térmicas e refrigeradores =>

Máquinas Térmicas Produzem a transformação (parcial) de calor em trabalho utilizando uma substância de trabalho, geralmente operando em processo cíclico. QH = Calor absorvido (fonte energética) A cada ciclo é produzido uma quantidade de trabalho W. Obs.: Potência P = W/Dt QC = Calor rejeitado (Q = QH + QC ) Eficiência Térmica

Máquinas de Combustão Interna Razão de compressão: r = Vmax/Vmin ~ 8 - 10

Ciclo Otto r = 8; g = 1,4 => e ~56% (~35% na prática) Nos processos isocóricos bc e da: Nos processos adiabáticos ab e cd: Assim: r = 8; g = 1,4 => e ~56% (~35% na prática)

Ciclo Diesel r = ~15, 20; g = 1,4 => e ~70% (< 52 % na prática)

Refrigeradores Um refrigerador é uma máquina térmica funcionando com um ciclo invertido. A cada ciclo é fornecido um trabalho W. Como em uma máquina térmica: Coeficiente de Performance

O coeficiente de performance típico de refrigeradores é ~ 2,5.

Um condicionador/refrigerador pode ser usado para o aquecimento de um ambiente. Neste caso o aparelho recebe o nome de “bomba de calor”.

Segunda Lei da Termodinâmica / Impossibilidade de Máquinas Perfeitas Enunciado de Kelvin-Plank (máquinas térmicas): É impossível um processo cíclico de conversão completa de calor em trabalho a partir de um único reservatório térmico. (eficiência e < 1) Enunciado de Clausius (refrigeradores): É impossível um processo cíclico que resulte na transferência completa de calor de um corpo frio para um corpo quente. (desempenho Kp < ∞)

Equivalência entre os enunciados A violação de um enunciado implica na violação do outro

Ciclo de Carnot (1824) Melhor rendimento pode ser obtido evitando processos irreversíveis, que envolvam diferenças finitas de temperatura entre sistema e reservatórios => transformações isotérmicas e adiabáticas:

Nos processos isotérmicos ab e cd: Nos processos adiabáticos bc e da: Assim:

Ciclo de Carnot e a Segunda Lei Enunciado de Carnot (rendimento máximo): Nenhuma máquina térmica pode ter eficiência superior à da máquina de Carnot operando entre as mesmas temperaturas extremas. (Vale analogamente para refrigeradores) Corolário e escala Kelvin: Toda máquina de Carnot funcionando entre dadas temperaturas tem a mesma eficiência, independentemente da substância de trabalho. A razão entre 2 temperaturas pode ser definida, independentemente da substância termométrica, como a razão entre os calores absorvido e rejeitado em um ciclo de Carnot operando entre tais temperaturas.

Equivalência entre os enunciados de Carnot e Kelvin-Planck A existência de uma máquina com eficiência superior à de Carnot implica na violação do postulado de Kelvin-Planck.

Entropia e Desordem Um gás ideal em expansão isotérmica não muda sua energia interna, mas aumenta sua desordem uma vez que suas moléculas se espalham em um volume maior. O aumento da desordem está ligado ao aumento relativo do volume e ao número de moléculas presentes. Definimos o aumento de entropia S como medida do aumento da desordem em um processo REVERIVEL como: (unidades : J/K)

Entropia e aquecimento (processos isobáricos e isocóricos) Entropia e o Ciclo de Carnot Em um processo isotérmico Em um processo adiabático No ciclo de Carnot

Entropia e Processos Cíclicos Reversíveis para qualquer ciclo reversível. Então conclui-se que a entropia é uma variável de estado. (Sua variação não depende da trajetória)

Entropia e Processos Irreversíveis / Expansão Livre

Entropia e Processos Irreversíveis / Diferenças Térmicas Quando há uma diferença de temperaturas, a transferência de calor é irreversível e

Entropia e Segunda Lei A soma das variações de entropia do sistema e vizinhanças em processos irreversíveis cresce ( permanece constante para processos reversíveis). Se existisse uma máquina térmica perfeita, a entropia do reservatório térmico diminuiria de DS = –Q/T, violando também este enunciado ( a entropia da máquina não varia...).

Diagrama T-S e calor Q = QH-QC T S Como dS = dQ/T, temos o calor fornecido a um sistema como: A “área sob a curva” em um diagrama T-S é o calor fornecido. No ciclo de Carnot, constituído pelas isotermas a-b e c-d e adiabáticas b-c e d-a, o diagrama aparece como um retângulo: T S Q = QH-QC a b c d TH TC