ciências da natureza e suas tecnologias...
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Ciências da Natureza e suas Tecnologias – Física
Ensino Médio, 2ª Série
Segunda lei da termodinâmica
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?
FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioSegunda lei da termodinâmica
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.
FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioSegunda 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).
FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioSegunda lei da termodinâmica
Imagem
: E
moscopes / G
NU
Fre
e D
ocum
enta
tion L
icense.
Fonte Fria Qf
O funcionamento de uma máquina térmica é
representado pelo diagrama ao lado.
Fonte Quente
MáquinaTrabalho 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.
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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).
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Imagem: Emoscopes / GNU Free Documentation License.
O rendimento de uma máquina é definido pelo
percentual de calor transformado em trabalho.qQ
τη
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,
teremosq
f
T
T1η
FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioSegunda lei da termodinâmica
Como não pode existir calor totalmente convertido em trabalho, a segunda lei
proíbe a existência de uma máquina térmica com eficiência de 100%.
τη
Se o rendimento de uma máquina é definido pelo percentual de calor
transformado em trabalho...
FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioSegunda lei da termodinâmica
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:
RefrigeradorTrabalho (δ)
Fonte Fria Qf
Fonte Quente Qq
FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioSegunda lei da termodinâmica
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
FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioSegunda lei da termodinâmica
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 apenasum ambiente e unidade de congelamentointegrado (uma porta).
O segundo refrigerador é do tipo Duplex (duasportas) com unidade de congelamentoseparada e um painel de resfriamento noambiente inferior.
FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioSegunda lei da termodinâmica
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.
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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
ISOTERMICAISOTERMICA
ADIABÁTICA ADIABÁTICA
Se uma máquina térmica retira, por ciclo, 500 J de
calor da fonte quente e rejeita 400 J para fonte fria,
qual o trabalho útil obtido obtido em 30 ciclos e
qual o seu rendimento?
Uma máquina térmica tem 40% de rendimento. Em
cada ciclo, o gás ideal dessa máquina rejeita 120
joules de calor para a fonte fria. Determine:
a) O trabalho útil obtido por ciclo nessa máquina;
b) A quantidade de calor que o gás recebe, por
ciclo da fonte quente.
Um motor térmico funciona segundo o ciclo de
Carnot. A temperatura da fonte quente é 127 ºC e a
da fonte fria é de 27 ºC. Em cada ciclo o motor
recebe 600 Cal da fonte quente, Determine o
rendimento do motor, o trabalho útil obtido e a
quantidade de calor rejeitada para a fonte fria em
cada ciclo. Dado: 1 cal = 4 J.
Uma máquina térmica funciona realizando o ciclo
de Carnot. A temperatura da fonte fria é - 23 ºC e a
da fonte quente é de 352 ºC. A potência útil da
máquina é 2400 W e ela realiza 4 ciclos por
segundo. Determine:
a) O rendimento da máquina;
b) A quantidade de calor fornecida pela fonte
quente em cada ciclo;
c) A quantidade de calor recebida pela fonte fria
em cada ciclo.
Em 1824 o engenheiro francês Nicolas Léonard Sadi Carnot demonstrou que seuma máquina térmica, operando entre duas temperaturas constantes T1 e T2
(com T1 > T2), trabalhasse em ciclos segundo o gráfico mostrado, apresentaria omaior rendimento possível para essas temperaturas. Esse ciclo passou a sechamar Ciclo de Carnot e essa máquina, máquina ideal ou máquina de Carnot.
No Ciclo de Carnot um gás ideal sofre quatro transformações reversíveis: duasisotérmicas (AB e CD) e duas adiabáticas (BC e DA). A respeito da máquina e doCiclo de Carnot, analise as proposições abaixo:(1) na transformação BC a máquina cede calor ao meio externo.(2) na transformação CD o gás sofre uma compressão e é aquecido.(4) o trabalho total realizado em cada ciclo é nulo.(8) o gás só troca calor com o meio externo nas transformações AB e CD.(16) na expansão AB o meio externo realiza trabalho sobre o gás.