SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

Apresentação em tema: "SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA"— Transcrição da apresentação:

1 SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

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4 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

5 Processos espontâneos
Expansão espontânea Massa em queda

6 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.

7 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.

8 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 !

9 Analisando o enunciado de Clausius
O enunciado de Clausius não exclui 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

10 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, ...

11 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

12 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.

13 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.

14 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.

15 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

16 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.

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

18 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”.

19 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

20 Pressão Wliquido Volume

21 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.

22 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”

23 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:

24 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%.

25 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.”

26 EXEMPLO 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.

27 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

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29 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

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31 EXEMPLO 02 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.

32 EXEMPLO 03 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 kWh, determine o custo teórico mínimo para operar a bomba de calor, em $/dia.

33 ENTROPIA

34 Segunda lei da termodinâmica
"Não ocorrem processos nos quais a entropia do sistema ISOLADO decresça: em qualquer processo que tenha lugar em um sistema isolado, a entropia do sistema AUMENTA ou permanece CONSTANTE". Em outras palavras, um sistema isolado, sem nenhuma ajuda exterior, é incapaz de se auto-estruturar.

35 dq = dw = p dV = dV nRT V Logo, dV V dq nRT =
A segunda lei da termodinâmica pode ser formulada em termos quantitativos usando o conceito de entropia, que fornece uma estimativa da desordem do sistema. Quando uma quantidade dq de calor é adicionada a um gás ideal, ele se expande realizando um trabalho dw = p dV. Segundo a primeira lei da termodinâmica, dq = dw = p dV = dV nRT V Logo, dV V dq nRT =

36 Com a expansão, o gás passa para um estado mais desordenado
Com a expansão, o gás passa para um estado mais desordenado. Assim, a variação relativa do volume dV /V ( ~dq/T ) fornece uma estimativa do aumento da desordem. A entropia S do sistema pode então ser definida a partir da relação dS = dq T

37 Q` W` Q W Reservatório Tres Sistema T SISTEMA COMBINADO 
Ciclo intermediário W` Q Sistema T W Fronteira do Sistema combinado Fronteira do sistema

38 ENTROPIA – UMA PROPRIEDADE DE UM SISTEMA

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40 Variação de entropia para um sistema durante um processo irreversível

41 Exemplo 04 Água inicialmente como líquido saturado a 150°C está contida em um conjunto cilindro-pistão. A água é submetida a um processo que a leva ao estado correspondente de vapor saturado, durante o qual o pistão se move livremente ao longo do cilindro. Não ocorre transferência de calor para a vizinhança. Se a mudança de estado acontece pela ação de um agitador, determine o trabalho líquido por unidade de massa, em kJ/kg e a quantidade de entropia produzida por unidade de massa, em kJ/kg.K