Capítulo 4 Máquinas Térmicas, Entropia e

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1 Capítulo 4 Máquinas Térmicas, Entropia e
O Segundo Princípio da Termodinâmica Lord Kelvin ( ) 4.1 Máquinas Térmicas e o Segundo Princípio da Termodinâmica 4.2 Processos Reversíveis e Irreversíveis 4.3 Máquina de Carnot 4.4 Bombas de Calor e Refrigeradores 4.5 Entropia

2 4.1 Máquinas Térmicas e o Segundo Princípio da Termodinâmica
Do ponto de vista da engenharia, talvez a aplicação mais importante dos conceitos deste capítulo seja a eficiência limitada das máquinas térmicas Um dispositivo muito útil para compreender a segunda lei da termodinâmica é a máquina térmica Uma máquina térmica é um dispositivo que converte energia interna em outras formas úteis de energia, tal como energia cinética A locomotiva a vapor obtém sua energia por meio da queima de madeira ou carvão A energia gerada transforma água em vapor, que propulsiona a locomotiva Locomotivas modernas utilizam óleo diesel em vez de madeira ou carvão

3 Máquina térmica Em geral, uma máquina térmica faz com que alguma substância de trabalho realize processo(s) cíclico(s) durante os quais (1) calor é transferido de uma fonte a uma temperatura elevada (2) trabalho é feito pela máquina (3) calor é lançado pela máquina para uma fonte a uma temperatura mais baixa A máquina absorve calor Qq do reservatório quente, rejeita calor Qf para o reservatório frio e realiza trabalho Wmáq

4 Rendimento da máquina térmica
Pelo Primeiro Princípio da termodinâmica A formulação de Kelvin-Planck do Segundo Princípio da Termodinâmica Área=Wmáq “É impossível construir uma máquina térmica que, operando num ciclo, não produza nenhum efeito além da absorção de calor de um reservatório e da realização de uma quantidade igual de trabalho” É impossível construir uma máquina que trabalhe com rendimento de 100% Rendimento da máquina térmica

5 4.2 Processos Reversíveis e Irreversíveis
Um processo reversível é aquele no qual o sistema pode retornar as suas condições iniciais pelo mesmo caminho e no qual cada ponto ao longo da trajectória é um estado de equilíbrio Um processo que não satisfaça essas exigências é irreversível A maioria dos processos naturais é irreversível

6 Compressão isotérmica e reversível
Se um processo real ocorrer muito lentamente, de tal forma que o sistema esteja sempre muito próximo do equilíbrio, esse processo pode ser considerado como reversível Exemplo Comprimir um gás muito lentamente ao deixar cair sobre o pistão sem atrito alguns grãos de areia Compressão isotérmica e reversível Areia Cada grão de areia adicionado representa uma pequena mudança para um novo estado de equilíbrio O processo pode ser revertido pela lenta remoção dos grãos de areia do pistão Reservatório de calor

7 4.3 Máquina de Carnot Ciclo de Carnot
Em 1824, um engenheiro francês chamado Sadi Carnot descreveu uma máquina teórica - Máquina de Carnot Ciclo de Carnot B A (1) No processo A  B, o gás se expande isotermicamente quando em contacto com um reservatório de calor a Tq (2) No processo B C, o gás se expande adiabaticamente (Q = O) C (3) No processo C  D, o gás é comprimido isotermicamente durante o contacto com o reservatório de calor a Tf< Tq D (4) No processo D  A, o gás é comprimido adiabaticamente

8 Diagrama PV para o ciclo de Carnot
O trabalho líquido realizado Wmáq, é igual ao calor líquido recebido num ciclo. Observe que para o ciclo Num ciclo Carnot mostrou que Rendimento térmico da máquina de Carnot

9 Coeficiente de desempenho da bomba de calor
4.4 Bombas de Calor e Refrigeradores E se quisermos transferir calor do reservatório frio para o reservatório quente? Como esta não é a direcção natural do fluxo, temos que realizar trabalho para fazer com que isso ocorra utilizando dispositivos como as bombas de calor e refrigeradores Bomba de calor (Exemplo: para aquecer uma sala) A bomba absorve o calor Qf de um reservatório frio e rejeita o calor Qq para um reservatório quente. O trabalho realizado na bomba de calor é W Coeficiente de desempenho da bomba de calor

10 Coeficiente de desempenho do refrigerador
Bomba de calor ideal É a máquina térmica de ciclo de Carnot funcionando ao contrário O coeficiente de máximo desempenho da bomba de calor CDDCarnot (bomba de calor) = Refrigerador Coeficiente de desempenho do refrigerador CDD (refrigerador) = O coeficiente de máximo desempenho do refrigerador CDDCarnot (refrigerador) =

11 Os processos reais seguem um sentido preferencial
É o Segundo Princípio da Termodinâmica que determina as direcções em que ocorrem os fenómenos naturais Formulação alternativa do segundo princípio da termodinâmica Enunciado de Clausius da segunda Lei da Termodinâmica: “O calor não flúi espontaneamente de um corpo frio para um corpo quente” Bomba de calor impossível É impossível existir uma bomba de calor ou frigorífico (refrigerador) que absorve calor de um reservatório frio e transfere uma quantidade de calor equivalente para um reservatório quente sem a realização de trabalho viola essa formulação do Segundo Princípio da Termodinâmica

12 A temperatura e a energia interna são ambas variáveis de estado
4.5 Entropia O Princípio Zero da Termodinâmica envolve o conceito de temperatura  T O Primeiro Princípio da Termodinâmica envolve o conceito de energia interna  U A temperatura e a energia interna são ambas variáveis de estado A variável de estado relacionada com o Segundo Princípio da Termodinâmica, é a entropia S Os sistemas isolados tendem à desordem e a entropia é uma medida dessa desordem

13 A partir da equação que descreve a máquina de Carnot
A ideia de entropia surgiu no seguimento de uma função criada pelo físico alemão Rudolf Clausius ( ). Expressou a entropia em escala macroscópica pela primeira vez em 1865 A partir da equação que descreve a máquina de Carnot Obteve a relação a razão tem um significado especial Se dQr for o calor transferido quando o sistema segue uma trajectória reversível entre dois estados, a variação da entropia, independentemente da trajectória real seguida, é igual a integro dS

14 Entropia e o Segundo Princípio da Termodinâmica
Em 1887 Boltzmann definiu a entropia dum ponto de vista microscópico Baixa entropia Alta entropia é o número de microestados possíveis para o sistema Exemplo de Microestados - posições que uma molécula pode ocupar no volume Entropia e o Segundo Princípio da Termodinâmica Outra maneira de enunciar o segundo princípio da termodinâmica “A entropia do Universo aumenta em todos os processos naturais”

15 Exemplo: Variação da Entropia – Processo de Fusão
Vamos supor que o processo de fusão ocorre tão lentamente que pode ser considerado um processo reversível - podemos inverter o processo extraindo calor muito lentamente para congelar o líquido na forma sólida. Neste caso, a temperatura pode ser considerada como constante e igual a o calor latente de fusão é dado por: A variação da entropia será