TERMODINÂMICA
Aula 9 – Segunda Lei da Termodinâmica
ENTROPIA
• A segunda lei da termodinâmica diz que a entropia de um sistema tende a aumentar.
O que significa isto?
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
• Para compreender o significado desta Lei, vamos usar as garrafas com areia colorida.
http://www.egroup.net.br/noticias/areia-colorida-na-garrafa/
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
• Se a garrafa não estiver complemente preenchida e for agitada, a arte desaparecerá.
http://www.egroup.net.br/noticias/areia-colorida-na-garrafa/
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
• E por mais que tentemos retornar à forma original, será pouco provável que consigamos.
http://www.egroup.net.br/noticias/areia-colorida-na-garrafa/
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
• A probabilidade de encontrarmos combinações destes grãos desordenados é muito maior do que a probabilidade deles encontrar eles organizados.
http://www.egroup.net.br/noticias/areia-colorida-na-garrafa/
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
A segunda lei da termodinâmica diz que a entropia de um sistema tende a aumentar.
O que significa isto?
Significa dizer que o sistema assumirá uma configuração irreversível de maior desordem.
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
• A energia se comporta do mesmo modo que os grãos de areia da garrafa.
• É mais provável encontrá-la num modo mais desordenado, distribuída entre um maior número de constituintes.
A B Energia
EQUILÍBRIO TÉRMICO
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
• E este processo é irreversível, ou seja:
• É improvável que dois blocos em equilíbrio térmico fiquem espontaneamente com temperaturas diferentes (mais organizados).
A Quente Frio
B
EQUILÍBRIO TÉRMICO
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
• Do mesmo modo, nunca veremos a transferência de energia de um objeto mais frio para o mais quente ocorrer espontaneamente.
A Quente Frio B
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
• A menos que adicionemos trabalho. Isto é o que as máquinas frigoríficas fazem.
http://www.pontofrio.com.br/Eletrodomesticos/Refrigeradores/FrostFree/Refrigerador-Continental-Frost-Free-Duplex-Massima-RFCT500-445L-332771.html
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
• Quando a energia é convertida em energia térmica, ela está numa forma mais deteriorável da energia.
• Ou seja, não é possível aproveitá-la completamente para produzir trabalho.
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
• Por exemplo, podemos converter todo o trabalho realizado sobre um disco de freio em energia térmica.
https://www.youtube.com/watch?v=6-wP2cwJu7I
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
• Mas não podemos converter toda energia térmica um gás em trabalho do pistão de um motor.
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
A segunda lei da termodinâmica diz que a entropia de um sistema tende a aumentar.
O que significa isto?
Significa dizer que a quantidade de energia disponível para conversão em trabalho do
sistema diminuiu .
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
• Assim funcionam as máquinas térmicas, como os motores dos carros.
• Elas não são 100% eficiente, pois não conseguem converter totalmente a energia térmica do combustível em trabalho.
http://static.hsw.com.br/gif/diesel-jeep-engine.jpg
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
• Resumindo: Dizer que a entropia de um sistema tende a aumentar, significa que ele:
• Assumiu uma configuração irreversível de maior desordem;
• Diminuiu a energia disponível para conversão em trabalho
CICLOS TERMODINÂMICOS
• O estudo dos ciclos dinâmicos é de extrema importância para compreender o funcionamento de máquinas térmicas e frigoríficas.
CICLOS TERMODINÂMICOS
• São etapas de transformações térmicas que ocorrem ciclicamente em gases, sempre retornando a condições iniciais do gás.
T1
CICLOS TERMODINÂMICOS
• Os ciclos termodinâmicos possuem a seguinte característica
∆Eint = 0
MÁQUINAS TÉRMICAS
• São equipamentos que convertem a energia térmica de gases em trabalho mecânico.
http://static.hsw.com.br/gif/diesel-jeep-engine.jpg
MÁQUINAS TÉRMICAS
• Máquina a Vapor
http://www.fem.unicamp.br/~em313/paginas/locom0/locom0.html
MÁQUINAS TÉRMICAS
• Máquina a Vapor
Fonte quente Caldeira Fonte Fria
Atmosfera
Trabalho Pistão
http://www.fem.unicamp.br/~em313/paginas/locom0/locom0.html
Caldeira
Atmosfera
Pistão
Fonte Fria
- Q
W
Pressão
Volume
Fonte
quente
+ Q
MÁQUINAS TÉRMICAS
A
B C
W>0
Máquina Térmica (Vapor)
C
D
W>0
W<0
Fonte
quente
Fonte Fria
A
B C
Pressão
Volume
W Total
D W
MÁQUINAS TÉRMICAS
+ Q
- Q
Máquina Térmica (Vapor)
Fonte
quente
Fonte Fria
W
MÁQUINAS TÉRMICAS
+ Q
- Q
Fonte quente Fonte Fria
Trabalho
http://www.fem.unicamp.br/~em313/paginas/locom0/locom0.html
Caldeira
Atmosfera
Pistão
Máquina Térmica (Vapor)
MÁQUINAS TÉRMICAS
• Uma máquina térmica ideal não consegue converter toda a energia interna em trabalho.
• É necessário rejeitar parte da energia para realizar o trabalho.
Fonte
quente
W
+ Q
Máquina Térmica (Vapor)
CICLOS TERMODINÂMICOS
• Se ∆E = 0
∆E = Q TOTAL – WTOTAL 0 = Q TOTAL – WTOTAL
WTOTAL = Q TOTAL WTOTAL = Qrec - Qced
E = WTOTAL / Qrec
RENDIMENTO DE MÁQUINAS TÉRMICAS
• Definimos a eficiência de uma máquina térmica através da equação:
Onde: • e = eficiência da máquina térmica; • Qrec = Calor recebido(Joules); • Qced = Calor fonte cedido(Joules); • WTotal = trabalho útil (Joules).
EXEMPLO
• Uma máquina térmica retira 1500 J da fonte quente e rejeita 500J para a fonte fria. Qual a eficiência desta máquina?
• Qq =
• Qf =
• e =
MÁQUINAS FRIGORÍFICAS
• São equipamentos que utilizam o trabalho para remover energia de uma fonte fria e transferir para uma fonte quente.
MÁQUINAS FRIGORÍFICAS
• Geladeira:
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Fonte quente Atmosfera
Trabalho Compressor
Interior da
Geladeira
Atmosfera
Compressor
http://www.portal.macamp.com.br/forum/showthread.php?tid=4773
Fonte Fria Interior
MÁQUINAS FRIGORÍFICAS Pressão
Volume
A
B C
W<0
W>0 A
D
B C
W<0
Fonte Fria
+Q
W
Fonte
quente
- Q
Máquina Frigorífica
(Freon)
MÁQUINAS FRIGORÍFICAS Pressão
Volume
A D
B C
WTOTAL
Fonte Fria
+Q
W
Fonte
quente
- Q
Máquina Frigorífica
(Freon)
MÁQUINAS FRIGORÍFICAS
• Não podemos transferir energia de um objeto mais frio para um mais quente.
• É necessário trabalho para realizar este processo.
Fonte Fria
+Q
Fonte
quente
- Q
Máquina Frigorífica
(Freon)
RENDIMENTO DE MÁQUINAS FRIGORÍFICAS
• Definimos a eficiência de uma máquina frigorífica através da equação:
Onde: • k = eficiência da máquina frigorífica; • Qr = Calor recebido (Joules); • Qc = Calor cedido (Joules); • W = Trabalho total (Joules)
𝑘 =𝑄𝑞
𝑄𝑞−𝑄𝑓 𝑊 = 𝑄𝑞 − 𝑄𝑓
EXEMPLO
• Numa máquina frigorífica, em cada ciclo do gás utilizado, são retirados 120 J do congelador. No processo a atmosfera (fonte quente) recebe 150 J. Qual a eficiência da máquina?
• Qq =
• Qf =
• k =
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Observamos que:
• Não existem máquinas térmicas ideais;
• Podemos transformar todo trabalho mecânico em energia interna, mas não podemos transformar toda energia interna em trabalho
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Observamos que:
• Não podemos transferir energia de um objeto mais frio para um mais quente;
• Mas podemos transferir energia de um objeto mais quente para o mais frio.