Segunda lei da termodinâmica

Ciências da Natureza e suas Tecnologias – Física

Ensino Médio, 2ª Série

Segunda lei da termodinâmica

FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmica

http://www.youtube.com/watch?feature=iv&annotation_id=annotation_953924&v=lXXrfS

E0OZg&src_vid=0fxjO93TcGk

http://www.youtube.com/watch?feature=iv&annotation_id=annotation_953924&v=lXXrfSE0OZg&src_vid=0fxjO93TcGk

http://www.youtube.com/watch?feature=iv&annotation_id=annotation_953924&v=lXXrfSE0OZg&src_vid=0fxjO93TcGk

Existem fenômenos cujos eventos acontecem numa ordem direta ou

inversa, não nos permitindo saber aquele que aconteceu antes ou

depois. Veja o exemplo do pêndulo. Como saber se primeiro ele estava

na direita para depois ir para esquerda, ou, se do contrário, ele começa

da esquerda e vai para a direita?


Imagem

: T

ibbets

74 / G

NU

Fre

e D

ocum

enta

tion L

icense.

Porém, na vida real, todos os fenômenos espontâneos ou naturais

são irreversíveis.

“A natureza só admite uma sequência para o transcurso dos

acontecimentos. Em todos há uma espécie de orientação que

indica o sentido do transcorrer do tempo” (Alberto Gaspar)

Assim, em um fenômeno irreverversível, é possível distinguir entre o antes e o depois.

Um copo com água gelada (10°C) colocado sobre a mesa, à temperatura ambiente

(25°C), espontaneamente, receberá sempre calor do ambiente elevando sua

temperatura, nunca o contrário.

Como a Física busca entender e descrever a natureza através de leis, a

irreversibilidade dos fenômenos naturais está expressa na Segunda Lei da

Termodinâmica.


Imagem: Malene Thyssen / GNU Free Documentation

License.

Os fenômenos naturais são irreversíveis porque o calor gerado por eles nunca pode ser

inteiramente reaproveitado em outra forma de energia.

Aplicando esta regra ao funcionamento das máquinas térmicas, temos que...

Nenhuma máquina térmica operando em ciclos pode

retirar calor de uma fonte e transformá-lo

integralmente em trabalho.

Então, numa máquina térmica, o calor retirado de uma

fonte quente (Qq) será transformado, parte dele em

trabalho (δ) e o restante rejeitado numa fonte fria (Qf).


Imagem

: E

moscopes / G

NU

Fre

e D

ocum

enta

tion L

icense.

É antiga a ideia de construir uma máquina que possa

perpetuar seu movimento a partir de uma energia

produzida por ela mesma.


Pesquise sobre o “Moto-perpétuo” e responda se é

possível construir tal máquina obedecendo às leis da

Termodinâmica.

Imagens:

A) (direita, cima) Ulrich von Cranach / Public Domain.

B) (esquerda) M.C.Escher, Waterfall, 1961 / http://www.mcescher.com/Gallery/recogn-

bmp/LW439.jpg

Fonte Fria Qf

O funcionamento de uma máquina térmica é

representado pelo diagrama ao lado.

Fonte Quente

Qq

Máquina Trabalho realizado

O trabalho realizado pela máquina é o

resultado da diferença entre o calor retirado

da fonte quente e o calor rejeitado na fonte

fria.


Tente identificar, na máquina térmica ilustrada, a:

Fonte quente (Qq)

Trabalho realizado (δ)

Fonte fria (Qf)

Fonte Quente - Qq

Trabalho realizado

Corresponde ao movimento

do pistão para cima,devido à

expansão do vapor de água.

Corresponde ao

aquecimento da água em

uma caldeira, fazendo-a

vaporizar.

Fonte Fria - Qf Com a abertura da válvula,

água fria é liberada dentro

do cilindro fazendo o vapor

condensar (resfriamento).


Imagem: Emoscopes / GNU Free Documentation License.

Como você pode observar, o calor rejeitado na fonte fria não pode ser mais aproveitado

na máquina em outro ciclo. Esta energia torna-se indisponível.

O físico Ludwig Eduard Boltzmann, em sua análise estatística da

termodinâmica, afirmou que esta energia indisponível tende

aumentar a desordem do sistema termodinâmico, dando a 2ª lei um

novo enunciado:

Em qualquer sistema físico, a tendência natural é o aumento da desordem; o restabelecimento da ordem só é possível mediante o dispêndio (gasto) de energia.

A tendência à desordem pode ser medida pela Entropia. Logo, quanto maior a

desordem num sistema termodinâmico, maior sua Entropia.

Assim, podemos afirmar que:

Em todo processo natural espontâneo, a entropia do Universo sempre aumenta.


Imagem: Autor desconhecido / Public Domain

O rendimento de uma máquina é definido pelo

percentual de calor transformado em trabalho. 100

Q

τη

q

Como o trabalho pode ser definido por δ = Qq – Qf ,

então...

q

f

q

fq

Q

Q1η

Q

QQη

Ou, se a máquina operar em ciclos de Carnot,

teremos q

f

T

T1η


Como não pode existir calor totalmente convertido em trabalho, a segunda lei

proíbe a existência de uma máquina térmica com eficiência de 100%.

100Q

τη

q

Se o rendimento de uma máquina é definido pelo percentual de calor

transformado em trabalho...


A irreversibilidade se dá em processos espontâneos, porém, com

gasto de energia, é possível fazer processos ocorrerem de modo

inverso ao que ocorreria espontaneamente.

Como exemplo, temos a geladeira, uma máquina que retira calor

de seu interior (fonte fria) e despeja numa fonte quente através

de um trabalho executado por um compressor.

Assim, num refrigerador temos que:

Refrigerador Trabalho (δ)

Fonte Fria Qf

Fonte Quente Qq


Imagem: M.Minderhoud / GNU Free

Documentation License.

Imagem: Keenan Pepper / GNU Free

Documentation License.

(Tradução Nossa).

O compressor envia o gás

liquefeito (condensado)

comprimido por uma tubulação

(serpentina) de pequeno diâmetro

localizada na parte traseira do

refrigerador.

Na unidade de evaporação,

localizada no congelador e

painéis de resfriamento, o gás

passa a uma tubulação de

maior diâmetro e expande-se

rapidamente, evaporando num

processo adiabático, o que

provoca seu resfriamento.

Ao longo da tubulação do

evaporador, o calor flui do

interior da geladeira para o

gás, que retornará ao

compressor.

Então, podemos representar

esquematicamente o trabalho

(δ), o calor lançado na fonte

quente (Qq) e o calor retirado

da fonte fria (Qf).

Qf

δ

Qq


Imagem: Ilmari Karonen / GNU Free Documentation License.

Imagem: SEE-PE, redesenhado a

partir de imagem de Autor

Desconhecido.

A seguir, temos a representação de dois refrigeradores.

O primeiro é um modelo simples, com apenas um ambiente e unidade de congelamento integrado (uma porta).

O segundo refrigerador é do tipo Duplex (duas portas) com unidade de congelamento separada e um painel de resfriamento no ambiente inferior.


Imagens da esquerda para a direita: (a)SEE-PE, redesenhado a partir de ilustração de Autor Desconhecido. (b) Pierre gencey / Public Domain. (c) Paul Robinson / GNU Free Documentation License.

A eficiência (ε) corresponde ao coeficiente obtido pela razão entre o calor retirado da

fonte fria (Qf) e o trabalho realizado (δ) pelo compressor em cada ciclo.


τ

Qε f Ou, se considerarmos que δ = Qq – Qf então...

fq

f

Q - Q

Qε

Se um refrigerador opera em ciclos de Carnot, então sua eficiência será calculada por...

fq

f

T - T

Tε


01. De acordo com a teoria da Termodinâmica,

é correto afirmar:

(01) O calor só pode fluir de um corpo a outro de menor temperatura;

(02) O princípio da conservação da energia é válido para qualquer sistema físico

isolado;

(04) Uma máquina térmica transforma integralmente calor em trabalho;

(08) A variação da entropia corresponde à variação da energia útil do sistema;

(16) Todos os processos naturais irreversíveis acarretam aumento na indisponibilidade

de energia.

Soma ( )

Próximo problema

(01) O calor só pode fluir de um corpo a outro de menor temperatura.

Esta seria uma afirmação correta, segundo o princípio da

irreversibilidade dos processos naturais se fosse introduzida, após

calor, a palavra espontaneamente. Mas, como vimos numa máquina

térmica reversa (refrigerador), com o gasto de energia (realização de

trabalho),o calor pode fluir de um ambiente de menor temperatura para

um ambiente de maior temperatura.

Voltar


(02) O princípio da conservação da energia é válido para qualquer sistema físico

isolado?

Sim. Lembremos da 1ª Lei da Termodinâmica. Quando um sistema

termodinâmico troca calor com seu entorno, este calor resulta em

realização de trabalho e variação da energia interna do sistema.

Voltar


(04) Uma máquina térmica transforma integralmente calor em trabalho?

Não, pois isso contraria a 2ª Lei da Termodinâmica.

Voltar


(08) A variação da entropia corresponde à variação da energia útil do sistema?

Sim. A entropia corresponde ao estado de desordem do sistema. O

retorno à ordem depende diretamente do gasto de energia (energia

útil).

Voltar


(16) Todos os processos naturais irreversíveis acarretam aumento na

indisponibilidade de energia?

É claro que sim! Lembremos do enunciado decorrente dos

trabalhos feitos por Boltzmann sobre a segunda lei da

termodinâmica:

Em todo processo natural espontâneo a entropia do Universo sempre aumenta.

Voltar



02. 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.

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 que

a) considerando o motor uma máquina térmica ideal, quanto

maior for o calor trocado, maior 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.

UFRN 2001 / http://professor.bio.br/fisica/lista.all.asp?curpage=340

03. Uma central de energia utilizada por uma equipe móvel de TV desenvolve 1,8.107

joules de energia elétrica enquanto seu motor a gasolina consome 2,5 litros de

combustível, cujo poder calorífico é de 3,6.107 joules/litro. O rendimento da central é

de:

a) 10%;

b) 20%;

c) 40%;

d) 50%;

e) 100%.


Neste problema, precisamos identificar ...

O total de energia retirada do combustível (Qq);

A energia utilizada para geração de energia elétrica (δ).

A energia retirada do combustível corresponde a 2,5 litros x 3,6.107 joules/litro.

J9.10 3,6.102,5Q 77

q

O texto afirma que, para esta quantidade de energia retirada do combustível, são

gerados 1,8.107 joules de energia elétrica (δ). Assim o rendimento desta máquina pode

ser calculado por...

100Q

τη

q

1009.10

1,8.10η

7

7

20%η


04. (ENEM 2002) O diagrama mostra a

utilização das diferentes fontes de energia

no cenário mundial. Embora

aproximadamente um terço de toda energia

primária seja orientada à produção de

eletricidade, apenas 10% do total são

obtidos em forma de energia elétrica útil.

A pouca eficiência do processo de produção de eletricidade deve-se, sobretudo, ao fato de as

usinas

a) nucleares utilizarem processos de aquecimento, nos quais as temperaturas atingem milhões de

graus Celsius, favorecendo perdas por fissão nuclear;

b) termelétricas utilizarem processos de aquecimento a baixas temperaturas, apenas da ordem de

centenas de graus Celsius, o que impede a queima total dos combustíveis fósseis;

c) hidrelétricas terem o aproveitamento energético baixo, uma vez que parte da água em queda

não atinge as pás das turbinas que acionam os geradores elétricos;

d) nucleares e termelétricas utilizarem processos de transformação de calor em trabalho útil, no

qual as perdas de calor são sempre bastante elevadas;

e) termelétricas e hidrelétricas serem capazes de utilizar diretamente o calor obtido do combustível

para aquecer a água, sem perda para o meio.


05. Um refrigerador de uso doméstico é uma máquina térmica invertida: o calor é

retirado do congelador à temperatura de -23°C, enquanto a temperatura do ambiente

em que ele se encontra é de 27°C. O coeficiente de desempenho do refrigerador de

Carnot, operando em ciclos entre essas temperaturas, é

a) 0,20

b) 0,80

c) 2,0

d) 4,0

e) 5,0

Inicialmente é necessário ter os valores das temperaturas em escala

absoluta, assim...

K 00327273T

K 25023)(273T

q

f

Para um refrigerador que opera no ciclo de carnot entre essas

temperaturas, seu coeficiente de eficiência será...

550

250

250300

250

TT

Tε

fq

f


Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso

3 Tibbets74 / GNU Free Documentation License. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Simple

_Pendulum.gif 20/03/2012

4 Malene Thyssen / GNU Free Documentation License.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Animated_flower.GIF

20/03/2012

5 Emoscopes / GNU Free Documentation License. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Newcomen_atmospheric_engine_animation.gif

20/03/2012

6a Ulrich von Cranach / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fotothek_df_tg_0006004_Mechanik_%5E_M%C3%BChle_%5E_Rad.jpg

20/03/2012

6b M.C.Escher, Waterfall, 1961 / http://www.mcescher.com/Gallery/recogn-bmp/LW439.jpg

http://www.mcescher.com/Gallery/recogn-bmp/LW439.jpg

20/03/2012

8 Emoscopes / GNU Free Documentation License. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Newcomen_atmospheric_engine_animation.gif

20/03/2012

9a Autor desconhecido / Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Boltzmann-Ludwig.jpg

20/03/2012

12a M.Minderhoud / GNU Free Documentation License.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Koelkast_open.jpg

20/03/2012

12b Keenan Pepper / GNU Free Documentation License.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Refrigeration.png

20/03/2012

13a SEE-PE, redesenhado a partir de ilustração de Autor Desconhecido.

Acervo SEE-PE 20/03/2012

Tabela de Imagens

Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso

13a SEE-PE, redesenhado a partir de ilustração de

Autor Desconhecido. Acervo SEE-PE 20/03/2012

13b Ilmari Karonen / GNU Free Documentation License.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Refrigerator-cycle.svg

20/03/2012

14a SEE-PE, redesenhado a partir de ilustração de Autor Desconhecido.

Acervo SEE-PE 20/03/2012

14b Pierre gencey / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Frigidaire_tm.jpg

20/03/2012

14c Paul Robinson / GNU Free Documentation License.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Refrigerator2.svg

20/03/2012

22 UFRN 2001 http://professor.bio.br/fisica/lista.all.asp?curpage=340

20/03/2012

25 ENEM 2002 http://www.fisicafacil.pro.br/enem/enem15.htm

20/03/2012

Tabela de Imagens

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