2leidatermodinamica

2º Lei da Termodinâmica

IntroduçãoEnunciado da 2º leiRendimento de uma máquina térmicaCiclo de Carnot

Introdução

� Chamamos, genericamente, de máquina a qualquer dispositivo que tenha por finalidade transferir ou transformar energia.

� As máquinas térmicas são dispositivos em que há troca de energia na forma de calor e também há troca de energia com o meio externo na forma de trabalho, em um processo cíclico.

� Esses dispositivos têm a finalidade de obter energia mecânica a partir de trocas de calor, ou obter troca de calor a partir do fornecimento de energia mecânica.

� Os motores dos automóveis, as geladeiras e os aparelhos de ar condicionado são exemplos de máquinas térmicas.

Enunciado da 2º lei

� Se colocarmos dois objetos a diferentes temperaturas dentro de um recipiente de paredes adiabáticas, o calor começará a fluir do mais quente para o mais frio até que eles atinjam o equilíbrio térmico.

� O curioso é que, se certa quantidade de calor fosse doada pelo mais frio e integralmente recebida pelo mais quente, não haveria qualquer violação do Princípio da Conservação da Energia.

� Apesar disso, espontaneamente, jamais vemos isso ocorrer.� A 2ª lei da Termodinâmica trata da remota probabilidade de

ocorrer o fato mencionado, identificando o sentido mais provável em que os fenômenos naturais acontecem.


� Uma das formas de se enunciar essa lei é a seguinte:

� Apesar de não ser impossível, é bastante improvável que o calor seja transferido de forma espontânea de um corpo mais frio para outro mais quente.

� Com o intuito de explicar melhor o funcionamento de máquinas térmicas, em que o calor é convertido em outras formas de energia, essa lei enunciada de outra maneira por Lord Kelvin:


� É impossível construir uma máquina que, operando em ciclos, retire o calor de uma única fonte e o transforme integramente em trabalho.

� Essa expressão da 2º Lei da Termodinâmica apenas colabora o que já comentamos a respeito do sentido irreversível com que ocorrem transformações espontâneas de energia.

Enunciado da 2º lei – máquina térmica

� A seguir, vamos fazer um esquema de uma térmica, operando conforme manda a 2º Lei da Termodinâmica.

Uma fonte quente está a uma temperatura T1 e cede uma quantidade Q1 de calor à máquina.

Esta realiza trabalho devalor τ

Rejeita uma quantidade Q2

de calor a uma fonte fria, que está a uma temperatura T2.

Enunciado da 2º lei – máquina térmica

� Aplicando-se o Princípio da Conservação, matematicamente podemos dizer que

Q1 = τ + Q2 ou que τ = Q1 - Q2

Rendimento de uma máquina térmica

� Quando estudamos a potência de máquinas na Mecânica, vimos que o rendimento delas pode ser obtido fazendo-se a divisão entre a potência útil e a total.

� Não há mudança no resultado obtido, se quisermos calcular o rendimento de uma máquina térmica pela razão entre a energia que ela realmente aproveita (trabalho) e a energia total que ela recebe da fonte quente (Q1).

1

2

11

21

1

1Q

Q

QQ

QQ

Q−==→

−==

τη

τη

Física e tecnologia

� Uma das mais importantes invenções do ser humano é o motor de combustão interna –uma máquina termodinâmica que transforma calor em energia mecânica.

� A seguir, vamos analisar de forma sucinta o chamado motor de quatro tempos.

� Com pistões, o motor comprime uma mistura de ar e combustível dentro de um cilindro.

� Em certo momento a vela de ignição dispara uma faísca, iniciando a combustão dessa mistura.

� A queima do combustível provoca um aumento de temperatura e pressão, permitindo a realização de trabalho.

� Com isso os pistões são empurrados e, por intermédios das bielas, fazem o virabrequim girar.

� Como resíduo da combustão, gases são expelidos pelo escapamento, e o ciclo recomeça.

� Os quatro tempos de um motor são:

Física e tecnologia

Ciclo de Carnot

� O físico francês Sadi Carnot (1796-1832) idealizou, em 1824, a transformação cíclica capaz de proporcionar rendimento máximo para uma máquina térmica, visto que seu valor jamais seria de 100% de acordo com a 2º Lei da Termodinâmica.

� Esse ciclo apresenta duas transformações isotérmicas (expansão AB e compressão CD) intercaladas ou duas transformações adiabáticas (expansão BC e compressão DA).

Ciclo de Carnot

� O rendimento no Ciclo de Carnot, ou seja, o máximo que pode ser atingido por uma máquina térmica, écalculado conforme vimos há pouco.

� No entanto, nesse tipo de transformação cíclica, as quantidades Q1 e Q2 de calor, respectivamente, fornecidas pela fonte quente e rejeitada à fonte fria são diretamente proporcionais às temperaturas absolutas dessas fontes.

� Assim, podemos escrever o rendimento de uma máquina que opera de forma ideal das seguintes formas:

1

2

1

211T

T

Q

Q−=−= ηη ou

Exercícios Resolvidos

� 1. Em uma máquina térmica são fornecidos 3kJ de calor pela fonte quente para o início do ciclo e 780J passam para a fonte fria. Qual o trabalho realizado pela máquina, se considerarmos que toda a energia que não é transformada em calor passa a realizar trabalho?

� A segunda lei da termodinâmica enuncia que:

� Então, substituindo os valores na equação, temos:


2. Qual o rendimento da máquina térmica do exercício anterior?

Sendo o rendimento de uma máquina térmica dado por:

Substituindo os valores na equação:

Ou, em percentual:


2. Uma máquina que opera em ciclo de Carnot tem a temperatura de sua fonte quente igual a 330°C e fonte fria à 10°C. Qual é o rendimento dessa máquina? Sendo o rendimento de uma máquina térmica que opera em ciclo de Carnot:

Mas as temperaturas utilizadas devem estar em escala absoluta, logo, convertendo-as:

Aplicando estes valores na equação:

Ou, em percentual:

Resolução de Atividades

� Página 41 a 43

� Página 47 e 48

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