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INTRODUÇÃO Desde infância, temos um conhecimento prático, dos conceitos de temperatura e energia termica. Sabemos, por exemplo, que é preciso ter cuidados com alimentos e objectos quentes e que os alimentos devem ser conservados num lugar gelado, sabemos, também, que devemos nos proteger do frio e calor excessivos. Um dos principais ramos da fisica e da engenharia é a termodinâmica. Os estudos das leis que regem a relação entre o calor, trabalho e outras formas de energia, um dos conceitos centrais da termodinâmica é a temperatura. A termodinâmica estuda as relações entre calor, trabalho e outras formas de energia e as propriedades das substâncias que interagem nestas relações. Objetivo é motivar sobre a necessidade e utilidade da 2ª. Lei da Temordinâmica.
Direção dos Processos Os processos espontâneos possuem uma direção definida. ®Corpo quente - resfriamento - equilíbrio
®Vaso pressurizado ®^ vazamento - equilíbrio
®Queda de um corpo ®^ repouso
Todos esses casos podem ser revertidos, mas não de modo espontâneo. Em geral, um balanço de energia não indica a direção em que o processo irá ocorrer, nem permite distinguir um processo possível de um impossível. Nem todos os processos que satisfazem a 1ª. lei podem ocorrer. Para os processos simples a direção é evidente, mas para os casos mais complexos, ou aqueles sobre os quais haja incertezas, um princípio que serve deguia é muito útil. Aspectos da 2a. Lei A 2a. lei e suas deduções propiciam meios para:
- predizer a direção dos processos
- estabelecer condições de equilíbrio
- determinar qual o melhor desempenho teórico dos ciclos, motores e outros dispositivos
- avaliar quantitativamente os fatores que impedem que esse melhor desempenho seja atingido. A 2a. lei tem sido utilizada também em áreas bem distantes da engenharia, como a economia e a filosofia. Dada essa complexidade de utilização, existem muitas definições para a 2a. lei e neste texto, como ponto de partida serão apresentadas duas formulações. A 2a. lei tem sido verificada experimentalmente em todas as experiências realizadas. Enunciados de Clausius e de Kelvin-Pank Clausius : É impossível um sistema operar de modo que o único efeito resultante seja a transferência de energia na forma de calor, de um corpo frio para um corpo quente. Citar: Refrigerador Reservatório Térmico : Classe especial de sistema fechado que mantém constante sua temperatura mesmo que energia esteja sendo recebida ou fornecida pelo sistema (RT).
RT quente Ciclo W=Qh Qh W=Qh Qc + Qh Qc RT frio RT quente Ciclo Qc RT frio Qc Processos Reversíveis e Irreversíveis Processos Irreversíveis Um processo é irreversível quando o sistema e todas as partes de sua vizinhança não conseguem voltar ao estado inicial. Um sistema que passa por um processo irreversível não está impedido de retornar ao seu estado inicial. No entanto se o sistema retornar ao estado inicial não será possível fazer o mesmo com sua vizinhança. Alguns efeitos que tornam os processos irreversíveis. · Transferência de calor com diferença finita de temperatura. · Expansão não resistida de um gás ou líquido para pressões mais baixas. · Reações químicas espontâneas. · Misturas espontâneas de matéria em diferentes composições ou estados. · Atrito - por escorregamento ou de fluidos. · Magnetização ou Polarização com histerese. · Deformação não elástica. Embora esta lista não seja exaustiva ela sugere que todos os processos reais são irreversíveis. As irreversibilidades ocorrem dentro do sistema e na vizinhança e podem ser mais pronunciadas em um ou no outro. Nesse sentido as irreversibilidades podem ser classificadas como internas ou externas. Como a definição da fronteira é arbitrária, a classificação das irreversibilidades como internas (relacionadas com o sistema) ou externas (relacionadas com a vizinhança) depende da localização da fronteira. Os engenheiros precisam ter habilidade para reconhecer as irreversibilidades, avaliar sua influência e desenvolver os mecanismos adequados para reduzi-las.
Alguns processos, como a frenagem, necessitam do efeito da irreversibilidade em suas operações. Taxas elevadas de transferência de calor, aceleração rápida, taxas de produção elevadas, etc., invariavelmente implicam em irreversibilidade significativas. Irreversibilidades são toleradas em vários graus, para qualquer processo porque as mudanças no projeto e operação necessárias para reduzi-las, implicam em elevados custos. Assim, embora a melhoria do desempenho termodinâmico possa acompanhar a redução das irreversibilidades, o fator custo é um impedimento importante. Processos Reversíveis Um processo é dito reversível se o sistema e todas as partes da sua vizinhança puderem retornar exatamente ao estado inicial. Todos os processos são irreversíveis, e processos reversíveis não podem ocorrer. No entanto, alguns processos, como o escoamento através de um bocal apropriadamente projetado é aproximadamente reversível. O Ciclo de CARNOT O ciclo de CARNOT introduzido neste item propicia um exemplo específico de um ciclo reversível de potência, operando entre dois Reservatórios Térmicos. Outros dois exemplos de ciclos reversíveis serão vistos no Cap. 9 - Ciclos Ericsson e Stirling, que apresentam a mesma eficiência do ciclo de CARNOT. Em um ciclo de Carnot, o sistema que executa o ciclo, passa por uma série de quatro processos internamente reversíveis: dois processos adiabáticos, alternados com dois processos isotérmicos. A Figura mostra os quatro processos em um diagrama P-v, para um ciclo de potência de Carnot, executado por um gás. (fig. 5.9 ) Processo 1 - 2 : O gás é comprimido adiabaticamente, do estado 1 até o estado 2, onde a temperatura é TH.
Processo1 - 2: O gás se expande isotermicamente à temperatura TC, enquanto recebe energia QC do reservatório frio por transferência de calor. Processo 2 - 3: O gás é comprimido adiabaticamente até sua temperatura atingir TH. Processo 3 - 4: O gás é comprimido isotermicamente à TH enquanto perde energia QH para o reservatório quente, por transferência de calor. Processo 4 - 1: O gás expande adiabaticamente até sua temperatura cair para TC (fig. 5.12 )
ENTROPIA
Energia e Entropia são conceitos abstratos. O conceito de energia á mais familiar e de uso diário, enquanto o conceito de Entropia raramente aparece em publicações diárias e menos ainda nos aspectos quantitativos.
