ciências da natureza e suas tecnologias – física ensino médio, 2ª série segunda lei da...

Ciências da Natureza e suas Tecnologias – Física

Ensino Médio, 2ª Série

Segunda lei da termodinâmica

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioSegunda lei da termodinâmica

Assista o vídeo no link acima,Pense um pouco e responda...

Isso é possível?

http://www.youtube.com/watch?feature=iv&annotation_id=annotation_953924&v=lXXrfSE0OZg&src_vid=0fxjO93TcGk



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?

Tais fenômenos são denominados REVERSÍVEIS.


Imag

em: T

ibbe

ts74

/ G

NU

Fre

e D

ocum

enta

tion

Lice

nse.

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.


Imagem: Malene Thyssen / GNU Free Documentation License.

Segunda Lei da TermodinâmicaOs 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).

Qq = δ + Qf


Imag

em: E

mos

cope

s / G

NU

Fre

e D

ocum

enta

tion

Lice

nse.

É antiga a ideia de construir uma máquina que possa perpetuar seu movimento a partir de uma energia produzida por ela mesma.


Para pensar...

Pesquise sobre o “Moto-perpétuo” e responda se é possível construir tal máquina obedecendo às leis da Termodinâmica.

Imagens: A) (direita, cima) Ulrich von Cranach / Public Domain.B) (esquerda) M.C.Escher, Waterfall, 1961 / http://www.mcescher.com/Gallery/recogn-bmp/LW439.jpg

Fonte Fria Qf

O funcionamento de uma máquina térmica é representado pelo diagrama ao lado.

Fonte Quente

Qq

MáquinaTrabalho realizadoδ

O trabalho realizado pela máquina é o resultado da diferença entre o calor retirado da fonte quente e o calor rejeitado na fonte fria.

δ = Qq - Qf


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).


Imagem: Emoscopes / GNU Free Documentation License.

Como você pode observar, o calor rejeitado na fonte fria não pode ser mais aproveitado na máquina em outro ciclo. Esta energia torna-se indisponível.

O físico Ludwig Eduard Boltzmann, em sua análise estatística da termodinâmica, afirmou que esta energia indisponível tende aumentar a desordem do sistema termodinâmico, dando a 2ª lei um novo enunciado:

Em qualquer sistema físico, a tendência natural é o aumento da desordem; o restabelecimento da ordem só é possível mediante o dispêndio (gasto) de energia.

A tendência à desordem pode ser medida pela Entropia. Logo, quanto maior a desordem num sistema termodinâmico, maior sua Entropia.Assim, podemos afirmar que:

Em todo processo natural espontâneo, a entropia do Universo sempre aumenta.


Imagem: Autor desconhecido / Public Domain

Rendimento de uma máquina térmica

O rendimento de uma máquina é definido pelo percentual de calor transformado em trabalho.

100Q

τη

q

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, teremos q

f

T

T1η


Rendimento de umamáquina térmica conforme a

2ª 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%.

100Q

τη

q

Se o rendimento de uma máquina é definido pelo percentual de calor transformado em trabalho...


Máquinas térmicas reversasA 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


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

Qq


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 apenas um ambiente e unidade de congelamento integrado (uma porta).

O segundo refrigerador é do tipo Duplex (duas portas) com unidade de congelamento separada e um painel de resfriamento no ambiente inferior.

Experimente localizar as fontes quente e fria e onde

é realizado o trabalho.


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.

Eficiência de um refrigeradorA 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.


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


Vamos resolver juntos!01. De acordo com a teoria da Termodinâmica, é correto afirmar:

(01) O calor só pode fluir de um corpo a outro de menor temperatura;

(02) O princípio da conservação da energia é válido para qualquer sistema físico isolado;

(04) Uma máquina térmica transforma integralmente calor em trabalho;

(08) A variação da entropia corresponde à variação da energia útil do sistema;

(16) Todos os processos naturais irreversíveis acarretam aumento na indisponibilidade de energia.

Soma ( ) 02 + 08 + 16 = 26Próximo problema

(01) O calor só pode fluir de um corpo a outro de menor temperatura.

Esta seria uma afirmação correta, segundo o princípio da irreversibilidade dos processos naturais se fosse introduzida, após calor, a palavra espontaneamente. Mas, como vimos numa máquina térmica reversa (refrigerador), com o gasto de energia (realização de trabalho),o calor pode fluir de um ambiente de menor temperatura para um ambiente de maior temperatura.

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(02) O princípio da conservação da energia é válido para qualquer sistema físico isolado?

Sim. Lembremos da 1ª Lei da Termodinâmica. Quando um sistema termodinâmico troca calor com seu entorno, este calor resulta em realização de trabalho e variação da energia interna do sistema.

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(04) Uma máquina térmica transforma integralmente calor em trabalho?

Não, pois isso contraria a 2ª Lei da Termodinâmica.

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(08) A variação da entropia corresponde à variação da energia útil do sistema?

Sim. A entropia corresponde ao estado de desordem do sistema. O retorno à ordem depende diretamente do gasto de energia (energia útil).

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(16) Todos os processos naturais irreversíveis acarretam aumento na indisponibilidade de energia?

É claro que sim! Lembremos do enunciado decorrente dos trabalhos feitos por Boltzmann sobre a segunda lei da termodinâmica:

Em todo processo natural espontâneo a entropia do Universo sempre aumenta.

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Tente resolver!02. No radiador de um carro, a água fica dentro de tubos de metal (canaletas), como na figura abaixo. Com a ajuda de uma bomba d'água, a água fria do radiador vai para dentro do bloco do motor, circulando ao redor dos cilindros. Na circulação, a água recebe calor da combustão do motor, sofre aumento de temperatura e volta para o radiador; é então resfriada, trocando calor com o ar que flui externamente devido ao movimento do carro. Quando o carro está parado ou em marcha lenta, um termostato aciona um tipo de ventilador (ventoinha), evitando o superaquecimento da água.

A situação descrita evidencia que, no processo de combustão, parte da energia não foi transformada em trabalho para o carro se mover. Examinando-se as trocas de calor efetuadas, pode-se afirmar quea) considerando o motor uma máquina térmica ideal, quanto maior for o calor trocado, maior será o rendimento do motor;b) considerando o motor uma máquina térmica ideal, quanto menor for o calor trocado, menor será o rendimento do motor;c) ocorre um aumento da entropia do ar nessas trocas de calor;d) ocorrem apenas processos reversíveis nessas trocas de calor.

UFRN 2001 / http://professor.bio.br/fisica/lista.all.asp?curpage=340

Vamos resolver juntos!03. Uma central de energia utilizada por uma equipe móvel de TV desenvolve 1,8.107

joules de energia elétrica enquanto seu motor a gasolina consome 2,5 litros de combustível, cujo poder calorífico é de 3,6.107 joules/litro. O rendimento da central é de:

a) 10%;

b) 20%;

c) 40%;

d) 50%;

e) 100%.


Solução

Neste problema, precisamos identificar ...

O total de energia retirada do combustível (Qq);

A energia utilizada para geração de energia elétrica (δ).

A energia retirada do combustível corresponde a 2,5 litros x 3,6.107 joules/litro.

J9.10 3,6.102,5Q 77q

O texto afirma que, para esta quantidade de energia retirada do combustível, são gerados 1,8.107 joules de energia elétrica (δ). Assim o rendimento desta máquina pode ser calculado por...

100Q

τη

q

1009.10

1,8.10η

7

7

20%η


Tente resolver!04. (ENEM 2002) O diagrama mostra a utilização das diferentes fontes de energia no cenário mundial. Embora aproximadamente um terço de toda energia primária seja orientada à produção de eletricidade, apenas 10% do total são obtidos em forma de energia elétrica útil.

A pouca eficiência do processo de produção de eletricidade deve-se, sobretudo, ao fato de as usinasa) nucleares utilizarem processos de aquecimento, nos quais as temperaturas atingem milhões de graus Celsius, favorecendo perdas por fissão nuclear;b) termelétricas utilizarem processos de aquecimento a baixas temperaturas, apenas da ordem de centenas de graus Celsius, o que impede a queima total dos combustíveis fósseis;c) hidrelétricas terem o aproveitamento energético baixo, uma vez que parte da água em queda não atinge as pás das turbinas que acionam os geradores elétricos;d) nucleares e termelétricas utilizarem processos de transformação de calor em trabalho útil, no qual as perdas de calor são sempre bastante elevadas;e) termelétricas e hidrelétricas serem capazes de utilizar diretamente o calor obtido do combustível para aquecer a água, sem perda para o meio.


Vamos resolver juntos!05. Um refrigerador de uso doméstico é uma máquina térmica invertida: o calor é retirado do congelador à temperatura de -23°C, enquanto a temperatura do ambiente em que ele se encontra é de 27°C. O coeficiente de desempenho do refrigerador de Carnot, operando em ciclos entre essas temperaturas, é

a) 0,20

b) 0,80

c) 2,0

d) 4,0

e) 5,0

Inicialmente é necessário ter os valores das temperaturas em escala absoluta, assim...

K 00327273T

K 25023)(273T

q

f

Para um refrigerador que opera no ciclo de carnot entre essas temperaturas, seu coeficiente de eficiência será...

550

250

250300

250

TT

Tε

fq

f


Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso

3 Tibbets74 / GNU Free Documentation License. http://commons.wikimedia.org/wiki/

File:Simple_Pendulum.gif20/03/2012

4 Malene Thyssen / GNU Free Documentation License.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Animated_flower.GIF

20/03/2012

5 Emoscopes / GNU Free Documentation License. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Newcomen_atmospheric_engine_animation.gif

20/03/2012

6a Ulrich von Cranach / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fotothek_df_tg_0006004_Mechanik_%5E_M%C3%BChle_%5E_Rad.jpg

20/03/2012

6b M.C.Escher, Waterfall, 1961 / http://www.mcescher.com/Gallery/recogn-bmp/LW439.jpg

http://www.mcescher.com/Gallery/recogn-bmp/LW439.jpg

20/03/2012

8 Emoscopes / GNU Free Documentation License. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Newcomen_atmospheric_engine_animation.gif

20/03/2012

9a Autor desconhecido / Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Boltzmann-Ludwig.jpg

20/03/2012

12a M.Minderhoud / GNU Free Documentation License.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Koelkast_open.jpg

20/03/2012

12b Keenan Pepper / GNU Free Documentation License.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Refrigeration.png

20/03/2012

13a SEE-PE, redesenhado a partir de ilustração de Autor Desconhecido.

Acervo SEE-PE 20/03/2012

Tabela de Imagens

Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso

13a SEE-PE, redesenhado a partir de ilustração de

Autor Desconhecido.Acervo SEE-PE 20/03/2012

13b Ilmari Karonen / GNU Free Documentation License.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Refrigerator-cycle.svg

20/03/2012

14a SEE-PE, redesenhado a partir de ilustração de Autor Desconhecido.

Acervo SEE-PE 20/03/2012

14b Pierre gencey / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Frigidaire_tm.jpg

20/03/2012

14c Paul Robinson / GNU Free Documentation License.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Refrigerator2.svg

20/03/2012

22 UFRN 2001 http://professor.bio.br/fisica/lista.all.asp?curpage=340

20/03/2012

25 ENEM 2002 http://www.fisicafacil.pro.br/enem/enem15.htm

20/03/2012

Tabela de Imagens

ciências da natureza e suas tecnologias – física ensino médio, 2ª série segunda lei da...

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