2ª lei da TERMODINÂMICA Módulo 03 Física 01 Pág. 20.

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1 2ª lei da TERMODINÂMICA Módulo 03 Física 01 Pág. 20

2 introdução O princípio da conservação da energia sugere que uma forma qualquer de energia possa ser convertida em outra modalidade e isso deve ocorrer de tal modo que a energia total do sistema permaneça constante. A primeira lei da Termodinâmica é uma aplicação do princípio da conservação da energia mas que não prevê a possibilidade da não ocorrência de um determinado processo de transformação. Na realidade, nem todos os processos que obedecem à primeira lei da Termodinâmica podem ser realizados na prática. A segunda lei da Termodinâmica estabelece um sentido de maior probabilidade de ocorrência de um fenômeno, ou seja, ela indica o sentido preferencial de ocorrência de processos naturais.

3 MáQuina térmica As máquinas térmicas são dispositivos que convertem energia térmica em trabalho utilizando um fluido, chamado fluido térmico, que realiza ciclos entre duas temperaturas que permanecem constantes.

4 MáQuina térmica Modelos da primeira máquina térmica, inventada por Heron no século I d.C.

5 Modelos de máquina a vapor de James Watt.
MáQuina térmica Modelos de máquina a vapor de James Watt.

6 Modelos de máquina a vapor de James Watt.
MáQuina térmica Modelos de máquina a vapor de James Watt.

7 Segunda lei da termodinâmica
Para existir uma conversão, de modo contínuo, de calor em trabalho, a máquina térmica deve operar em ciclo, entre duas fontes térmicas (T1 e T2), sendo uma fonte quente e outra fria, em que a máquina retira calor da fonte quente (Q1) e o converte parcialmente em trabalho (𝝉), sendo o restante rejeitado para a fonte fria (Q2).

8 Segunda lei da termodinâmica
FONTE QUENTE Aplicando-se o Princípio da conservação de energia: Qq MÁQUINA TÉRMICA 𝑸 𝒒 =𝝉+ 𝑸 𝒇 W Assim: 𝝉= 𝑸 𝒒 − 𝑸 𝒇 Qf FONTE FRIA

9 Segunda lei da termodinâmica
O rendimento (η) é definido pela razão entre a energia útil e a energia total: 𝛈= 𝐞𝐧𝐞𝐫𝐠𝐢𝐚 ú𝐭𝐢𝐥 𝐞𝐧𝐞𝐫𝐠𝐢𝐚 𝐭𝐨𝐭𝐚𝐥 𝛈= 𝛕 𝑸 𝒒 E ainda: 𝛈= 𝑸 𝒒 − 𝑸 𝒇 𝑸 𝒒 𝛈=𝟏− 𝑸 𝒇 𝑸 𝒒

10 Segunda lei da termodinâmica
A máquina térmica ideal seria aquela que apresenta rendimento igual a 100% (η=1). Para que isso aconteça é necessário que o calor cedido à fonte fria seja nulo (Q2=0) o que é impossível pois a energia térmica só sai da fonte quente devido a existência da fonte fria. Para uma máquina térmica real, η < 1. Assim, Kelvin enuncia que: “É impossível construir uma máquina térmica, que opere num ciclo termodinâmico, cujo o único efeito seja a retirada de calor de uma fonte quente e sua integral conversão em trabalho mecânico.”

11 Ciclo de carnot Diante dos rendimentos obtidos para as máquinas térmicas, Sadi Carnot se propôs a projetar uma máquina teórica que obtivesse uma máquina térmica que opere entre duas fontes, quente e fria, de temperaturas absolutas T1 e T2. De acordo com Carnot, nenhuma máquina pode atingir rendimento maior do que quando opera com o ciclo de Carnot. O Ciclo de Carnot é constituído de 4 transformações gasosas: Expansão Isotérmica; Expansão Adiabática; Compressão Isotérmica; Compressão Adiabática.

12 Ciclo de carnot FONTE QUENTE FONTE QUENTE FONTE QUENTE FONTE FRIA
B C FONTE QUENTE FONTE QUENTE FONTE QUENTE D A FONTE FRIA FONTE FRIA

13 Ciclo de carnot P A B D C V FONTE QUENTE FONTE QUENTE FONTE FRIA

14 Ciclo de carnot 𝑸 𝒇 𝑸 𝒒 = 𝑻 𝒇 𝑻 𝒒 𝜼=𝟏− 𝑻 𝒇 𝑻 𝒒
Demonstra-se que, na máquina de Carnot, as quantidades de calor Q1 e Q2 são proporcionais às respectivas temperaturas T1 e T2, assim: 𝑸 𝒇 𝑸 𝒒 = 𝑻 𝒇 𝑻 𝒒 O rendimento da máquina de Carnot é dado por: 𝜼=𝟏− 𝑻 𝒇 𝑻 𝒒

15 Motor de explosão (4 tempos)

16 Motor de explosão (4 tempos)

17 Motor de explosão (4 tempos)

18 Motor de explosão (4 tempos)

19 Motor de explosão (2 tempos)

20 Ciclo de Otto

21 Ciclo de Otto/Diesel

22 Máquinas frigoríficas
Há também um outro enunciado para a Segunda Lei, o de Clausius. “É impossível que o calor flua de uma fonte térmica fria para uma fonte térmica quente de forma espontânea.” Uma máquina frigorífica (refrigerador) é um dispositivo que, com o auxílio de um trabalho externo, retira energia térmica de uma fonte térmica fria e transfere-o para uma fonte térmica quente. A máquina frigorífica não viola a segunda lei justamente devido ao trabalho externo realizado sobre ela.

23 Máquinas frigoríficas
FONTE QUENTE Existem dispositivos que, durante o seu funcionamento, transformam trabalho em calor. Estas máquinas fazem a transferência de calor de onde há menor temperatura para onde há maior temperatura. A eficiência de tal máquina é dada por: Q1 MÁQUINA FRIGORÍFICA W 𝒆= 𝑸 𝟐 𝝉 Q2 FONTE FRIA

24 Máquinas frigoríficas
Há também um outro enunciado para a Segunda Lei, o de Clausius. “É impossível que o calor flua de uma fonte térmica fria para uma fonte térmica quente de forma espontânea.”

25 refrigerador

26 refrigerador

27 entropia A entropia é a medida do nível de desordem energética de um sistema. Os sistemas físicos tendem para estados cada vez mais desordenados. A entropia de um sistema ISOLADO sempre aumenta. A variação de entropia de um sistema pode ser determinada por: 𝚫𝑺= 𝑸 𝑻 Os seres vivos diminuem sua entropia pois não são sistemas isolados.

28 Exercícios para sala – pág. 21
QUESTÃO 01 Um motor só poderá realizar trabalho se receber uma quantidade de energia de outro sistema. No caso, a energia armazenada no combustível é, em parte, liberada durante a combustão para que o aparelho possa funcionar. Quando o motor funciona, parte da energia convertida ou transformada na combustão não pode ser utilizada para a realização de trabalho. Isso significa dizer que há vazamento da energia em outra forma. CARVALHO, A. X. Z. Física Térmica. Belo Horizonte: Pax, 2009 (adaptado). De acordo com o texto, as transformações de energia que ocorrem durante o funcionamento do motor são decorrentes de a A) liberação de calor dentro do motor ser impossível. B) realização de trabalho pelo motor ser incontrolável. C) conversão integral de calor em trabalho ser impossível. D) transformação de energia térmica em cinética ser impossível. E) utilização de energia potencial do combustível ser incontrolável.

29 Exercícios para sala – pág. 22
QUESTÃO 03 Em relação à Primeira e à Segunda Leis da Termodinâmica, é correto afirmar que: A) Na expansão isotérmica de um gás ideal monoatômico, a temperatura permanece constante e, de acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica, a variação da energia é nula. Desse modo, o calor absorvido é convertido completamente em trabalho. Entretanto, pode-se afirmar que a Segunda Lei da Termodinâmica não é violada porque o sistema não está isolado. B) Na expansão isotérmica de um gás ideal monoatômico, a temperatura permanece constante e, de acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica, a variação da energia é nula. Desse modo, o calor absorvido é convertido completamente em trabalho e pode-se afirmar que a Segunda Lei da Termodinâmica é violada, uma vez que esse é um sistema isolado. C) Na expansão adiabática de um gás ideal monoatômico, a temperatura permanece constante e, de acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica, a variação da energia é nula. Desse modo, o calor absorvido é convertido completamente em trabalho e, considerando que esse não é um sistema isolado, pode-se afirmar que a Segunda Lei da Termodinâmica é violada

30 𝒏=𝟏− 𝑻 𝒇 𝑻 𝒒 𝒏= 𝝉 𝑸 𝒒 𝒏= 𝟐𝟎𝟎 𝟒𝟎𝟎 𝒏=𝟏− 𝟑𝟎𝟎 𝟒𝟎𝟎 𝒏=𝟎,𝟓 𝒏=𝟎,𝟐𝟓 𝒏=𝟓𝟎% 𝒏=𝟐𝟓%
Exercícios para sala – pág. 22 QUESTÃO 04 Se uma máquina térmica m recebe 400 J de uma fonte quente a 400 K, realiza 200 J de trabalho e rejeita 200 J para a fonte fria a 300 K, então m: A) Tem um rendimento de 25%. B) Funciona em ciclo reversível. C) Tem um rendimento de 50%. D) Não funciona com esse ciclo. 𝒏=𝟏− 𝑻 𝒇 𝑻 𝒒 𝒏= 𝝉 𝑸 𝒒 𝒏= 𝟐𝟎𝟎 𝟒𝟎𝟎 𝒏=𝟏− 𝟑𝟎𝟎 𝟒𝟎𝟎 𝒏=𝟎,𝟓 𝒏=𝟎,𝟐𝟓 𝒏=𝟓𝟎% 𝒏=𝟐𝟓%

31 Exercícios para sala – pág. 22
QUESTÃO 05 A água salobra existente em muitos locais - em algumas cidades no interior do RN, por exemplo - representa um problema para as pessoas, pois sua utilização como água potável só é possível após passar por um processo de dessalinização. Um dispositivo para esse fim (e que utiliza radiação solar) é o destilador solar. Ele é composto basicamente por um reservatório d'água cujo fundo é pintado de preto fosco, por uma cobertura de placas de vidro transparente e por calhas laterais para coletar a água condensada nas placas de vidro, conforme ilustrado na figura a seguir.

32 Exercícios para sala – pág. 22
Com base no exposto acima, é correto afirmar: a) a energia da radiação solar é utilizada para condensação do vapor de água. b) o processo de condensação do vapor de água ocorre nas placas de vidro que estão à mesma temperatura do vapor. c) a condução térmica não atua no processo de dessalinização da água. d) a entropia do vapor de água diminui quando o vapor se condensa nas placas de vidro.

33 Exercícios para sala – pág. 22
QUESTÃO 06 No radiador de um carro, a água fica dentro de tubos de metal (canaletas), como na figura abaixo. Com a ajuda de uma bomba d'água, a água fria do radiador vai para dentro do bloco do motor, circulando ao redor dos cilindros. Na circulação, a água recebe calor da combustão do motor, sofre aumento de temperatura e volta para o radiador; é então resfriada, trocando calor com o ar que flui externamente devido ao movimento do carro. Quando o carro está parado ou em marcha lenta, um termostato aciona um tipo de ventilador (ventoinha), evitando o superaquecimento da água.

34 Exercícios para sala – pág. 22
A situação descrita evidencia que, no processo de combustão, parte da energia não foi transformada em trabalho para o carro se mover. Examinando-se as trocas de calor efetuadas, pode-se afirmar: a) Considerando o motor uma máquina térmica ideal, quanto maior for o calor trocado, maio será o rendimento do motor. b) Considerando o motor uma máquina térmica ideal, quanto menor for o calor trocado, menor será o rendimento do motor. c) Ocorre um aumento da entropia do ar nessas trocas de calor. d) Ocorrem apenas processos reversíveis nessas trocas de calor.