ciências da natureza e suas tecnologias física segunda lei ... · como a física busca entender e...

Ciências da Natureza e suas Tecnologias – Física

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 -Segunda 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.


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).


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

Qq

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.


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 dadesordem; o restabelecimento da ordem só é possível mediante odispêndio (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 doUniverso sempre aumenta.

FÍSICASegunda lei da termodinâmica

Imagem: Autor desconhecido / Public Domain

O rendimento de uma máquina é definido pelo

percentual de calor transformado em trabalho.100

Q

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 −=

FÍSICASegunda 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...


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


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 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.


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.


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 =

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