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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:

http://www.pontofrio.com.br/Eletrodomesticos/Refrigeradores/FrostFree/Refrigerador-Continental-Frost-Free-Duplex-Massima-RFCT500-445L-332771.html

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.