Segunda Lei Termodinâmica, Notas de estudo de Engenharia Informática
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Segunda Lei Termodinâmica
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FÍSICA II Termodinâmica e Ondas Figuras Capítulo 18

2ª LEI DA TERMODINÂMICA

INTRODUÇÃO:

CORPO QUENTECORPO FRIO

CALOR ESPONTÂNEO

CALOR - NÃO É ESPONTÂNEO NÃO VIOLA A 1ª LEI DA TERMODINÂMICA - CONSERVAÇÃO DE ENERGIA, MAS NÃO OCORRE NA NATUREZA.

POR QUE NÃO?

©2004 by Pearson Education

Figuras 18-2

E, AINDA, PODEMOS, CONVERTER:

ENERGIA MECÂNICA CALOR

COMPLETA

PARCIALMENTE

POR QUE NÃO?

A RESPOSTA AS ESTAS PERGUNTAS DIZ RESPEITO AOS SENTIDOS DOS PROCESSOS TERMODINÂMICOS - 2ª LEI DA TERMODINÂMICA.

2ª LEI DA TRMODINÂMICA DETERMINA LIMITES PARA O RENDIMENTO DE UMA MÁQUINA TÉRMICA OU DE UMA USINA ELÉTRICA. BEM COMO, IMPÕE LIMITES PARA A ENERGIA MÍNIMA A SER FORNECIDA A UM REFRIGERADOR.

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Figuras 18-3

SENTIDO DE UM PROCESSO TERMODINÂMICO

PROCESSOS TERMODINÂMICOS QUE OCORREM NA NATUREZA SÃO TODOS PROCESSOS IRREVERSÍVEIS.

A EXEMPLO: (a) EXPANSÃO LIVRE DE UM GÁS. (b) UM LIVRO QUE DESLIZA SOBRE UMA MESA.

PROCESSO REVERSÍVEL: SISTEMA TEM DE ESTAR PRÓXIMO DO EQUILÍBRIO TERMODINÂ_ MICO COM O MEIO EXTERNO E NO INTERIOR DO PRÓPRIO SISTEMA. ISTO É, NÃO PODE OCORRER NENHUMA MUDANÇA NO ESTADO DE EQUILÍBRIO DO SISTEMA. O CALOR NÃO PODERIA FLUIR NEM PARA DENTRO E NEM PARA FORA DE UM SISTEMA QUE TIVESSE UMA TEMPERATURA RIGOROSAMENTE CONSTANTE EM TODOS OS SEUS PONTOS E UM SISTEMA QUE ESTIVESSE REALMENTE EM EQUILÍBRIO MECÂNICO NÃO PODERIA REALIZAR TRABA_ LHO SOBRE O MEIO EXTERNO. UMA TRANSFORMAÇÃO REVERSÍVEL É UMA TRANSFORMA_ ÇÃO QUE NÃO PODE SER REALIZADA COM PRECISÃO NA PRÁTICA.

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Figuras 18-4

2ª LEI DA TERMODINÂMICA

A 2ª LEI DA TERMODINÂMICA ATENDE A DUAS GRANDES CLASSES DE DISPOSITIVOS:

- MÁQUINAS TÉRMICAS - CONVERTEM TRABALHO EM CALOR COM ÊXITO PARCIAL;

- REFRIGERADORES - TRANSPORTAM CALOR DE UM CORPO FRIO PARA UM CORPO

QUENTE COM ÊXITO PARCIAL.

A 2ª LEI DA TERMODINÂMICA, NÃO PODE SER DEDUZIDA A PARTIR DA 1ª LEI DA TERMO_ DINÂMICA, PORÉM SE MANTÉM COMO UMA LEI INDEPENDENTE NA NATUREZA.

A 1ª LEI PROÍBE A CRIAÇÃO OU A DESTRUIÇÃO DA ENERGIA; A 2ª LEI LIMITA A DISPONI_ BILIDADE DA ENERGIA E OS MODOS DE CONVERSÃO E DE USO DA ENERGIA.

A 2ª LEI DA TERMODINÂMICA É UMA EXPRESSÃO DA EXISTÊNCIA DE UM SENTIDO ÚNICO INTRÍNSECO PARA ESTES E MUITOS OUTROS PROCESSOS IRREVERSÍVEIS.

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Figuras 18-5

ENUNCIADO: - MÁQUINA TÉRMICA

É IMPOSSÍVEL PARA QUALQUER SISTEMA SOFRER UM PROCESSO NO QUAL ELE ABSORVE CALOR DE UM RESERVATÓRIO A UMA DADA TEMPERATURA E CONVERTE O CALOR COMPLETAMENTE EM TRABALHO MECÂNICO, DE MODO QUE O SISTEMA TERMINE EM UM ESTADO IDÊNTICO AO INICIAL.

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Figuras 18-6

A EXEMPLO:

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Figuras 18-7

CICLO OTTO - CICLO DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA COM “4-TEMPOS”

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Figuras 18-8

ENUNCIADO: - REFRIGERADOR

É IMPOSSÍVEL A REALIZAÇÃO DE QUALQUER PROCESSO QUE TENHA COMO ÚNICA ETAPA A TRANSFORMAÇÃO DE CALOR DE UM CORPO FRIO PARA UM CORPO QUENTE.

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Figuras 18-9

REFRIGERADOR

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Figuras 18-10

CICLO DE CARNOT

DE ACORDO COM A 2ª LEI DA TERMODINÂMICA, NENHUMA MÁQUINA TÉRMICA PODE POSSUIR EFICIÊNCIA DE 100%.

- QUAL SERIA A EFICIÊNCIA MÁXIMA QUE UMA MÁQUINA PODE TER, A PARTIR DE UM RESERVATÓRIO QUENTE A UMA TEMPERATURA TH E DE UM RESERVATÓRIO FRIO A UMA TEMPERATURA TC?

ESTA PERGUNTA FOI RESPONDIDA PELO ENGENHEIRO FRANCÊS SADI CARNOT (1796 - 1832), QUE DESENVOLVEU UMA MÁQUINA HIPOTÉTICA IDEALIZADA QUE FORNECE A EFICIÊNCIA MÁXIMA PERMITIDA PELA 2ª LEI DA TERMODINÂMICA. O CICLO DESTA MÁQUINA É CONHECIDO COMO CICLO DE CARNOT.

A CONVERSÃO DE TRABALHO EM ENERGIA É UM PROCESSO IRREVERSÍVEL; O OBJETIVO DA MÁQUINA É FAZER UMA REVERSIBILIDADE PARCIAL DESTE PROCESSO, OU SEJA, A CONVERSÃO DE CALOR EM TRABALHO COM A MAIOR EFICIÊNCIA POSSÍVEL. PARA A EFICIÊNCIA MÁXIMA DE UMA MÁQUINA TÉRMICA, PORTANTO, DEVEMOS EVITAR TODO PROCESSO IRREVERSÍVEL. ESTA EXIGIÊNCIA É SUFICIENTE PARA DETERMINAR AS ETAPAS BÁSICAS DO CICLO DE CARNOT, QUE É FORMADO DE DUAS ISOTÉRMICAS REVERSÍVEIS E DOIS PROCESSOS ADIABÁTICOS REVERSÍVEIS.

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Figuras 18-11

ENTÃO, NO GRÁFICO pV, TEMOS O CICLO DE CARNOT:

1. O GÁS SE EXPANDE ISOTERMICAMENTE NA TEMPERATURA TH , ABSORVENDO UM CALOR QH (ab); 2. O GÁS SE EXPANDE ADIABATICAMENTE ATÉ QUE SUA TEMPERATURA CAI PARA TC (bc); 3. O GÁS É COMPRIMIDO ISOTERMICAMENTE NA TEMPERATURA TC , REJEITANDO O CALOR QC (cd); 4. O GÁS É COMPRIMIDO ADIABATICAMENTE, RETORNANDO AO SEU ESTADO INICIAL NA TEMPERATURA TH (da).

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Figuras 18-12

E, PORTANTO,

- A TRANSFERÊNCIA DE CALOR NA MÁQUINA DE CARNOT É DETERMINADA:

- E, A EFICIÊNCIA DA MÁQUINA DE CARNOT É DETERMINADA:

H

C

H

C

T T

Q Q



H

CH

H

C

T TT

T Te 1

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