fsc5163 - entropia - 2aleiterm - 20071

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Entropia e a Segunda Lei da Termodinâmica

Entropia e a Segunda Lei da Termodinâmica

• A 1ª lei restringe as trocas de energia entre um sistema e sua vizinhança impondo a conservação da energia total.

• Há vários processos na natureza que não violam a 1ª lei e que não ocorrem espontaneamente. Por exemplo, ela não impede que o calor passe de uma fonte fria para uma fonte quente só é possível transferir calor de uma fonte fria para uma fonte quente quando se realiza trabalho sobre o sistema.

2ª Lei da Termodinâmica

Formaliza os conceitos de processos reversíveis e irreversíveis.

Restringe o tipo de conversões energéticas nos processos termodinâmicos

Entropia e a Segunda Lei da Termodinâmica

• Metas: formular a 2ª lei no contexto do funcionamento de máquinas térmicas e refrigeradores. Essa lei aparece como uma limitação natural no desempenho desses dispositivos. Definiremos, o ciclo de Carnot, cujo desempenho é o melhor que se pode esperar de um sistema termodinâmico real.

• Máquinas Térmicas: são dispositivos concebidos para converter calor em trabalho útil. Melhor dizendo, uma certa quantidade de energia na forma de calor flui para um sistema (máquina térmica) e uma fração dessa energia que entrou sai do sistema na forma de trabalho mecânico.

Máquinas térmicas

Uma máquina térmica converte energia mecânica através dos seguintes passos:

4.Absorve energia térmica de um reservatório de temperatura mais elevada; 6.Utiliza parte dessa energia para realizar trabalho; 8.Libera energia em um reservatório a temperatura mais baixa.

Como estas máquinas trabalham em ciclos, ∆U = 0 e, portanto, pela 1ª lei:

Q – W = 0 QH – QC = W 13.A eficiência ou rendimento dessa máquina

ao produzir trabalho é

100% se Qs = 0 NUNCA SE VERIFICA

1H C C H H H

W Q Q Q e

Refrigeradores

Os refrigeradores operam num processo cíclico percorrido no sentido inverso:

3.É realizado trabalho sobre ele, “recebe” um trabalho líquido 4.Retira energia térmica de um reservatório a temperatura mais baixa. 5.Libera energia em um reservatório a temperatura mais elevada.

Refrigeradores

•A relação da 1ª Lei obtida (com valores absolutos) para as máquinas térmicas, continua válida para os refrigeradores:

•Do ponto de vista de rendimento, o melhor refrigerador é o que remove a maior quantidade de calor |Qc| para o mesmo trabalho realizado |W|. Então, a razão relevante é o coeficiente de performance K:

•Sempre é preciso realizar um trabalho para transferir calor de um corpo frio para um corpo quente. O calor flui espontaneamente de um corpo quente para um corpo frio (Princípio do Equilíbrio Térmico) e o fluxo inverso necessita de um trabalho externo.

Segunda Lei da Termodinâmica

•A impossibilidade de ter uma máquina térmica 100% eficiente é a base para a segunda lei da termodinâmica:

É impossível para qualquer sistema sofrer um processo no qual ele absorve calor de um reservatório a uma dada temperatura e converte calor completamente em trabalho mecânico, de modo que o sistema termine em um estado idêntico a estado inicial.

•A Primeira Lei proíbe a criação ou destruição de energia; a Segunda Lei limita a disponibilidade da energia e os modos de conversão e de uso da energia.

•Outro enunciado (refrigeradores):

É impossível a realização de qualquer processo que tenha como única etapa a transferência de calor de um corpo frio para um corpo quente.

Máquina de Carnot

De acordo com a segunda lei nenhuma máquina térmica pode possuir eficiência de 100%.

Qual seria a eficiência máxima que uma dada máquina pode ter, a partir de um reservatório quente a uma temperatura TH e de um reservatório frio a uma temperatura TC?

Máquina hipotética idealizada que fornece a eficiência máxima permitida pela segunda lei. Seu ciclo é denominado Ciclo de Carnot.

Envolve o tema básico: a irreversibilidade e sua relação com um processo termodinâmico.

•A conversão de trabalho em energia é um processo irreversível;

A conversão de calor em trabalho com a maior eficiência possível deve evitar todo processo irreversível.

•O fluxo de calor através de uma diferença de temperatura finita é um processo irreversível

Não deve existir duarante a transferência de calor no Ciclo de Carnot nenhuma diferença de temperatura finita. Toda etapa envolvendo trocas de calor, a uma temperatura TH ou TC deve ser um processo isotérmico.

Máquina de Carnot

•Reciprocamente, em qualquer processo no qual a temperatura da substância de trabalho da máquina está entre TH e TC não pode ocorrer nenhuma transferência de calor entre a máquina e nenhum reservatório porque esta transferência de calor não poderia ser reversível;

Portanto, qualquer processo no qual a temperatura T da substância de trabalho varia deve ser um processo adiabático.

Conclusão:

Para que a conversão de calor em trabalho seja feita da maneira mais eficiente possível:

Todo processo em nosso ciclo idealizado deve ser isotérmico ou adiabático.

O equilíbrio térmico e mecânico deve ser sempre mantido de modo que cada processo seja completamente reversível.

Máquina de Carnot

Ciclo de Carnot:

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