máquinas térmicas, frigoríficas, entropia e a segunda...

Máquinas Térmicas, Frigoríficas,

Entropia e a Segunda Lei da

Termodinâmica

AULA 16 e 17- FÍSICA III – PROFESSOR NECKEL

Máquinas Térmicas

São dispositivos que convertem energia térmica em energia mecânica.

O fluido termodinâmico (gás ou líquido) troca calor com sua vizinhança segundo o esquema

O fluido opera em ciclos, que muitas vezes podem ser representados em um diagrama � � �

Máquinas Térmicas

O modo de operação de uma máquina térmica também pode ser generalizado pelo seguinte esquema:

Pela conservação de energia podemos equacionar

��

Sendo��: calor recebido pela máquina

��: trabalho realizado em um ciclo

��: calor cedido à vizinhança

O Rendimento de uma máquina térmica calcula qual fração da energia recebida foi efetivamente convertida em trabalho

� ��

��

��

��

� 1 ��

��

2ª Lei da Termodinâmica

Para que haja fluxo de energia térmica, é necessário que haja diferença de temperatura.

Assim, se toda a vizinhança estivesse à mesma temperatura, não haveria fluxo de calor para que houvesse transformação em trabalho.

Para ilustrar, tomemos o seguinte caso O fluido recebe calor, se expande, esquenta e realiza trabalho.

Para retornar ao ponto inicial, é necessário que comprima e resfrie.

Repare que, para voltar ao estado inicial, é necessário que resfrie, ou seja, que libere energia para a vizinhança.

Assim sempre teremos um pouco de liberação de energia térmica para a vizinhança.

2ª Lei da Termodinâmica

Assim, pelo enunciado de Kelvin-Planck:

“É impossível construir uma máquina térmica que, operando em transformações cíclicas, tenha como único efeito transformar

completamente em trabalho a energia térmica recebida da fonte quente.”

Logo: � � 1 sempre!!!

Máquinas Frigoríficas ou Refrigeradores

O fluxo termodinâmico natural é sempre da região com maior temperatura para a região de menor temperatura.

Para reverter o processo, é necessário que trabalho seja realizado sobre o meio.

Este tipo de sistema é chamado de máquina frigorífica ou refrigerador.

O ciclo termodinâmico é o contrário da máquina térmica

Máquinas Frigoríficas ou Refrigeradores

Representação Esquemática

Eficiência de um refrigerador ou coeficiente termodinâmico

� ��

��

� pode ter valores acima de 1

2ª Lei da termodinâmica

Enunciado de Rudolf Clausius para a 2ª lei da termodinâmica em termos das máquinas frigoríficas

“É impossível uma máquina, sem a ajuda de um agente externo, conduzir calor de um sistema para outro que

esteja a uma temperatura maior.”

Reversibilidade de processos físicos – Processos Irreversíveis

Expansão Livre

Em uma expansão livre, um gás passa a ocupar um novo volume sem ter que realizar trabalho sobre a vizinhança para que isso aconteça.

Se o gás tivesse empurrado um êmbolo ou feito algo se mover para que pudesse ocupar o novo espaço, poderíamos ter aproveitado esta energia para algum fim.

Como a energia interna é a mesma antes e depois da expansão, a mesma é menos proveitosa que anteriormente. Podemos até afirmar que houve uma degradação termodinâmica.


Troca de calor

Em uma troca da calor simples entre dois corpos, o calor flui do corpo com maior temperatura para o de menor temperatura espontaneamente.

A energia interna total do sistema permanece constante durante o processo, uma vez que o calor cedido por um corpo foi completamente absorvido por outro.

Aqui também é possível afirmar que houve degradação termodinâmica, pois o calor cedido poderia ter sido aproveitado por uma máquina térmica para realização de trabalho. Após a troca de calor, isto não é mais possível.


Sistemas com atrito cinético

O atrito pode frear um corpo de maneira espontânea, mas não é capaz de acelerar o mesmo. Isto configura o processo com atrito como irreversível

Neste processo a energia cinética do bloco é convertida em energia térmica.

Neste processo também há degradação termodinâmica uma vez que a variação da energia cinética do bloco poderia ter sido utilizada para movimentar outro objeto, realizar trabalho

Em todo processo irreversível, há

degradação de energia

Reversibilidade de processos físicos – Processos Reversíveis

Processos quase estáticos de um gás

É possível reverter um processo de um determinado gás uma vez que, para transitar entre um ponto e outro, atinjamos sucessivos estados de equilíbrio.

Neste tipo de processo o gás realiza trabalho, logo não há degradação termodinâmica, ou seja, energia térmica não se perde no processo.

Mas é importante lembrar que a reversão do processo não reorganiza as moléculas do gás. Então, em prática, este processo é irreversível


Trocas de calor entre corpos com baixíssima diferença de temperatura (infinitesimal)

Esse seria um processo no qual haveria troca de calor entre dois corpos que possuem temperaturas praticamente iguais.

Na prática, é impossível de realizar este processo

Na realidade, nenhum processo é

perfeitamente reversível.


Processos sem atrito cinético.

Para que exista reversibilidade de processos é necessário, antes de tudo, que não haja atrito no sistema.

Quando um processo é reversível, não há a degradação de energia, uma vez

que, durante esse processo, aproveitamos efetivamente a

transformação para realização de trabalho, ou podemos reverter o

processo para aproveitar.

O conceito de entropia – Processos Irreversíveis.

O termo “degradação”, para um gás, significa que o mesmo perdeu um pouco de sua capacidade de realizar trabalho útil.

Processos irreversíveis são aqueles que: Possuem atrito

Há expansão livre ou turbulência

Há troca de calor entre corpos

Neste processos: Há degradação termodinâmica da energia e aumenta a desordem do

sistema.

Definimos esta desordem de ENTROPIA

Interpretação da Entropia como uma função de Estado

A entropia (Símbolo �), pode ser expressa em termos do volume do sistema �, da quantidade de partículas ou número de mols (� ou �) e da energia interna �:

� ��, �, ��

Assim, a entropia pode ser interpretada como uma função do estado de um gás.

Para compreensão do conceito:

Quanto mais espalhadas as partículas estão, maior é a desordem do sistema

Quanto mais espalhada a energia do sistema, maior é a desordem do sistema

Quanto mais agita as partículas estão, maior é a desordem do sistema

Entropia em processos reversíveis.

Para transformações gasosas, processos são reversíveis se:

Ocorrem lentamente

Sem atrito

Sem trocas de calor infinitesimais (entre corpos do mesmo sistema com pequena diferença de temperatura)

Nestes casos, a variação da entropia no processo é dada por

Δ��í�� !"� � �!�"� ��

#

Entropia em processos reversíveis.

Δ��í�� !"� � �!�"� ��

#

Esta expressão é valida para os processos onde a temperatura # é constante.

Para processos irreversíveis:

Δ��í�� $�

#

Ciclo de Carnot

Sadi Carnot foi responsável pela obtenção do ciclo termodinâmico com o maior rendimento possível operando entre duas fontes de diferentes temperaturas.

Considerou que o ciclo seria perfeitamente reversível e que as transformações que o compõe são quase-estáticas e sem atrito cinético.

1º Postulado:

Nenhuma máquina térmica, operando entre duas temperaturas, pode ter rendimento maior que o rendimento da máquina de Carnot, operando nestas mesmas duas temperaturas.

Ciclo de Carnot

2º Postulado:

Ao operar entre duas temperaturas, a máquina ideal de Carnot tem o mesmo rendimento, independente do fluido operante.

Para o Ciclo de Carnot, a quantidade de calor recebida e cedida são proporcionais às temperaturas da isotérmica superior e inferior, respectivamente

Ciclo de Carnot Assim:

��

��

�#%

#&

Para o rendimento de uma máquina de Carnot

��

��

��

��

�� 1 ��

��

�� 1 �#&

#%

Para Carnot, o rendimento seria 100% caso #& � 0 (, o que é impossível.

Fixação, R: A

Fixação, R: ) 3,663,

- . � 0,553

,

- 0 3,11

,

-

Propostos, R: B

Propostos, R: E

Propostos, R:

Lista, R: B (Problema informativo)

Lista, R: D

Lista, R: E

máquinas térmicas, frigoríficas, entropia e a segunda...

Documents