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EM34F
Termodinâmica AProf. Dr. André Damiani Rocha
Aula 12 – 2ª Lei da Termodinâmica
Direção dos Processos
E experiência mostra que existe uma direção definida para osprocessos espontâneos:
Caso A
Um objeto a uma temperatura elevada Ti colocado emcontato com o ar atmosférico à temperatura T0
eventualmente se resfriaria até atingir a temperatura das suasvizinhanças;
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Aula 122ª Lei da Termodinâmica
Direção dos Processos
De acordo com o princípio da conservação da energia, odecréscimo de energia interna do corpo se traduziria por umaumento na energia interna da vizinhança;
O processo inverso não correria espontaneamente, mesmoque a energia pudesse ser conservada: a energia interna dasvizinhanças não diminuiria espontaneamente enquanto ocorpo se aquecesse de T0 até sua temperatura inicial.
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Aula 122ª Lei da Termodinâmica
Direção dos Processos
Caso B
O ar mantido a uma alta pressão pi em um tanque fechadoescoaria espontaneamente para as vizinhanças a umapressão mais baixa p0 se a válvula fosse aberta;
O processo inverso não ocorreria espontaneamente, mesmoque a energia pudesse ser conservada: o ar não retornariaespontaneamente para o tanque a partir das suasvizinhanças à pressão p0, conduzindo a pressão ao seu valorinicial.
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Aula 122ª Lei da Termodinâmica
Direção dos Processos
Caso C
A massa suspensa por um cabo a uma altura zi cairiaquando liberada, conforme mostra a figura;
Quanto atingisse o repouso, a energia potencial da massana sua condição inicial se transformaria em um aumento deenergia interna da massa e de suas vizinhanças;
O processo inverso não ocorreria espontaneamente, mesmoque a energia pudesse ser conservada: a massa nãoretornaria espontaneamente a sua altura inicial enquanto asua energia interna ou a de suas vizinhanças diminuísse.
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Aula 122ª Lei da Termodinâmica
Direção dos Processos
Em cada caso considerado, a condição inicial do sistemapode ser restabelecida, mas não através de um processoespontâneo.
Alguns dispositivos auxiliares seriam necessários;
Por estes dispositivos auxiliares o objeto poderia serreaquecido até a sua temperatura inicial, o ar poderia serretornado ao tanque e sua pressão inicial restabelecida, e amassa poderia ser erguida até a sua altura inicial;
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Aula 122ª Lei da Termodinâmica
Direção dos Processos
Em casos elementares como os aqui discutidos, a experiênciapode ser usada para deduzir se certos processosespontâneos ocorrem e quais seriam suas direções;
Para casos mais complexos, em que falta experiência ouesta é imprecisa, seria útil uma linha de ação. Isto é fornecidopela 2ª Lei da Termodinâmica.
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Aula 122ª Lei da Termodinâmica
Aspectos da 2ª Lei da Termodinâmica
A 2ª Lei e as deduções a partir dela são úteis para:
o prever a direção de processos;
o estabelecer condições para o equilíbrio;
o determinar o melhor desempenho teórico de ciclos, motores e outrosdispositivos;
o avaliar quantitativamente os fatores que impedem a obtenção domelhor nível de desempenho teórico;
o definir uma escala de temperatura independente das propriedadesde qualquer substância termométrica;
o desenvolver meios para avaliar propriedades tais como u e h emtermos de propriedade que são mais fáceis de obterexperimentalmente.
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Aula 122ª Lei da Termodinâmica
Enunciados da 2ª Lei
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Aula 122ª Lei da Termodinâmica
Enunciado de Clausius: É impossível para
qualquer sistema operar de maneira que o único
resultado seria a transferência de energia sob a
forma de calor de um corpo mais frio para um
corpo mais quente.
O enunciado de Clausius não exclui a possibilidade de transferência de energia sob a forma de
calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente, uma vez que é exatamente isto que os
refrigeradores e bombas de calor;
O enunciado sugere que, quando uma transferência de calor de um corpo mais frio para um
corpo mais quente, deve haver algum outro efeito dentro do sistema que transfere calor, nas sua
vizinhanças, ou em ambos.
Enunciados da 2ª Lei
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Aula 122ª Lei da Termodinâmica
Enunciado de Kelvin-Planck: É impossível para
qualquer sistema operar em um ciclo
termodinâmico e fornecer uma quantidade
líquida de trabalho para as suas vizinhanças
enquanto recebe energia por transferência de
calor de um único reservatório térmico.
O enunciado de Kelvin-Planck não exclui a possibilidade de um sistema desenvolver
uma quantidade líquida de trabalho a partir de uma transferência de calor extraída de um
único reservatório.
Ele apenas nega esta possibilidade se o sistema percorrer um ciclo termodinâmico
Enunciado de Kelvin-Planck
Restrição imposta pela 1ª Lei da Termodinâmica
Restrição imposta pela 2ª Lei da Termodinâmica:
direção da transferência de energia
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Aula 122ª Lei da Termodinâmica
liqliq QW
Processos Irreversíveis
Um processo é chamado de irreversível se o sistema e
todas as partes que compõem suas vizinhanças não
puderem ser restabelecidos exatamente aos seus
respectivos estados iniciais após o processo ter ocorrido;
Alguns processos irreversíveis:
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Aula 122ª Lei da Termodinâmica
Irreversibilidades Transferência de calor através de uma diferença finita de temperatura;
Expansão não-resistida de um gás ou líquido até uma pressão maisbaixa;
Reação química espontânea;
Mistura espontânea de matéria em estados ou composições diferentes;
Atrito – atrito de rolamento, bem como atrito no escoamento defluidos;
Fluxo de corrente elétrica através de uma resistência;
Magnetização ou polarização com histerese;
Deformação inelástica.
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Processos Reversíveis
O processo reversível se tanto o sistema quanto as
vizinhanças puderem retornar aos seus estados iniciais.
Processos reversíveis são puramente hipotéticos;
Nenhum processo que envolva transferência de calor
espontânea através de uma diferença finita de
temperatura, uma expansão não-resistida de um gás ou
líquido, atrito ou qualquer uma das outras
irreversibilidades listadas anteriormente pode ser
reversível.
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Ciclos de Potência
Eficiência do Ciclo de Potência
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H
L
H
ciclo
Q
Q
Q
W 1
Ciclos de Refrigeração/Bomba de Calor
Coeficiente de Performance
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LH
L
ciclo
L
Q
W
QCOP
LH
H
ciclo
H
Q
W
Q
Desempenho Máximo de Ciclos: Ciclos de Carnot
Um ciclo de Carnot possui 4 processos básicos:
1. Um processo isotérmico reversível, no qual é transferido para
ou do reservatório a alta temperatura;
2. Um processo adiabático reversível, no qual a temperatura do
fluido de trabalho diminui desde a do reservatório a alta
temperatura até a do outro reservatório;
3. Um processo isotérmico reversível, no qual calor é transferido
para ou do reservatório a baixa temperatura;
4. Um processo adiabático reversível, no qual a temperatura do
fluido de trabalho aumenta desde a do reservatório de baixa
temperatura até a do outro reservatório.
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Aula 122ª Lei da Termodinâmica - Ciclos
Desempenho Máximo de Ciclos: Ciclos de Carnot
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Aula 122ª Lei da Termodinâmica - Ciclos
Desempenho Máximo de Ciclos: Ciclos de Carnot
Escala de Temperatura
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H
L
revH
L
T
T
Q
Q
Desempenho Máximo de Ciclos: Ciclos de Carnot
Desempenho máximo para um ciclo de potência operando
segundo um ciclo de Carnot:
Desempenho máximo para um refrigerador/bomba de calor
operando segundo um ciclo de Carnot:
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H
LCarnot
T
T1
LH
LCarnot
TT
T
LH
H
TT
T
Exemplo 01: Uma máquina térmica opera entre um
reservatório térmico a 550oC e o ambiente (300K). A taxa
de transferência de calor do reservatório a alta
temperatura para a máquina é 1MW e a potência da
máquina, ou seja, a taxa de realização de trabalho, é
450kW. Calcule a taxa de transferência de calor para o
ambiente e determine a eficiência desta máquina
térmica. Compare estes valores com os relativos a uma
máquina térmica de Carnot que opera entre os mesmos
reservatórios térmicos.
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Aula 122ª Lei da Termodinâmica
Exemplo 02: Uma máquina de condicionamento de ar
deve ser utilizada para manter um ambiente a 24oC. A
carga térmica a ser removida, deste ambiente, é igual a
4kW. Sabendo que o ambiente externo está a 35oC,
estime a potência necessária para acionar o
equipamento.
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Aula 122ª Lei da Termodinâmica
A Desigualdade de Clausius
A desigualdade de Clausius estabelece que para qualquer
ciclo termodinâmico
ou ainda,
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Aula 122ª Lei da Termodinâmica - Ciclos
𝛿𝑄
𝑇𝑏
≤ 0
𝛿𝑄
𝑇𝑏
= −𝜎𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜
A Desigualdade de Clausius
onde 𝜎𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 é a intensidade da desigualdade;
Se 𝜎𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 = 0 → ausência de irreversibilidades no sistema;
Se 𝜎𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 > 0 → presença de irreversibilidades no sistema;
Se 𝜎𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 < 0 → impossível;
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𝛿𝑄
𝑇𝑏
= −𝜎𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜
Referências
MORAN, Michael J.; SHAPIRO, Howard N. Princípios de
termodinâmica para engenharia. 4. ed. Rio de Janeiro:
LTC, 2002. 681 p.
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