Segunda lei da termodinâmica e irreversibilidade dos fenômenos naturais

Ciências da Natureza e suas
Tecnologias – Física
Ensino Médio, 2ª Série
Segunda lei da termodinâmica

FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio

http://www.youtube.com/watch?feature=iv&annotation_id=annotation_953924&v=lXXrfS
E0OZg&src_vid=0fxjO93TcGk


Imagem: Tibbets74 / GNU Free Documentation License.
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?


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)

Imagem: Malene Thyssen / GNU Free Documentation
License.

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.


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
Imagem: Emoscopes / GNU Free Documentation License.

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).


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

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


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

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

Trabalho Máquina
realizado

Fonte Fria Qf


Tente identificar, na máquina térmica ilustrada, a:

Fonte quente (Qq)
Trabalho realizado (δ)
Corresponde ao movimento
Fonte fria (Qf) do pistão para cima,devido à
expansão do vapor de água.

Trabalho realizado
Fonte Fria - Qf
Com a abertura da válvula,
água fria é liberada dentro Corresponde ao
do cilindro fazendo o vapor aquecimento da água em
condensar (resfriamento). uma caldeira, fazendo-a
vaporizar.

Fonte Quente - Qq
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.
Imagem: Autor desconhecido / Public Domain

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.


τ
O rendimento de uma máquina é definido pelo
percentual de calor transformado em trabalho.
η 100
Qq
Como o trabalho pode ser definido por δ = Qq – Qf ,
então...

Qq  Qf Qf
η  η  1
Qq Qq Tf
Ou, se a máquina operar em ciclos de Carnot, η  1
teremos Tq


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

τ
η 100
Qq

Como não pode existir calor totalmente convertido em trabalho, a segunda lei
proíbe a existência de uma máquina térmica com eficiência de 100%.


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.
Imagem: M.Minderhoud / GNU Free

Assim, num refrigerador temos que: Fonte Quente Qq Documentation License.

Trabalho (δ) Refrigerador

Imagem: Keenan Pepper / GNU Free
Documentation License.
(Tradução Nossa).
Fonte Fria Qf


O compressor envia o gás Ao longo da tubulação do
liquefeito (condensado) evaporador, o calor flui do
comprimido por uma tubulação interior da geladeira para o
(serpentina) de pequeno diâmetro gás, que retornará ao
localizada na parte traseira do compressor.
refrigerador.
Então, podemos representar
Na unidade de evaporação, esquematicamente o trabalho
localizada no congelador e (δ), o calor lançado na fonte
painéis de resfriamento, o gás Imagem: SEE-PE, redesenhado a quente (Qq) e o calor retirado
partir de imagem de Autor
passa a uma tubulação de Desconhecido. da fonte fria (Qf).
maior diâmetro e expande-se δ
rapidamente, evaporando num
processo adiabático, o que
provoca seu resfriamento.

Qq Qf

Imagem: Ilmari Karonen / GNU Free Documentation License.


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.

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.

Qf Qf
ε Ou, se considerarmos que δ = Qq – Qf então... ε
τ Qq - Qf
Se um refrigerador opera em ciclos de Carnot, então sua eficiência será calculada por...

Tf
ε
Tq - Tf


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 ( )

Próximo 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.

Voltar


(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.

Voltar


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

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

Voltar


(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).

Voltar


(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.

Voltar


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 que
a) 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


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%.


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.

Qq  2,5  3,6.107  9.107 J

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...

τ
η
Qq
100 η  1,8.107
7
100 η  20%
9.10


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
usinas
a) 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.


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
Inicialmente é necessário ter os valores das temperaturas em escala
b) 0,80 absoluta, assim...
c) 2,0 Tf  273  (23)  250 K
d) 4,0 Tq  273  27  300 K
e) 5,0
Para um refrigerador que opera no ciclo de carnot entre essas
temperaturas, seu coeficiente de eficiência será...
Tf 250 250
ε   5
T q Tf 300  250 50

Tabela de Imagens
Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do
Acesso

3 Tibbets74 / GNU Free Documentation License. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Simple 20/03/2012
_Pendulum.gif
4 Malene Thyssen / GNU Free Documentation http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Animat 20/03/2012
License. ed_flower.GIF
5 Emoscopes / GNU Free Documentation License. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Newco 20/03/2012
men_atmospheric_engine_animation.gif
6a Ulrich von Cranach / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fototh 20/03/2012
ek_df_tg_0006004_Mechanik_%5E_M%C3%BC
hle_%5E_Rad.jpg
6b M.C.Escher, Waterfall, 1961 / http://www.mcescher.com/Gallery/recogn- 20/03/2012
http://www.mcescher.com/Gallery/recogn- bmp/LW439.jpg
bmp/LW439.jpg
8 Emoscopes / GNU Free Documentation License. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Newco 20/03/2012
men_atmospheric_engine_animation.gif
9a Autor desconhecido / Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Boltzm 20/03/2012
ann-Ludwig.jpg
12a M.Minderhoud / GNU Free Documentation http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Koelka 20/03/2012
License. st_open.jpg
12b Keenan Pepper / GNU Free Documentation http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Refrige 20/03/2012
License. ration.png
13a SEE-PE, redesenhado a partir de ilustração de Acervo SEE-PE 20/03/2012
Autor Desconhecido.

Tabela de Imagens
Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do
Acesso

Autor Desconhecido.
13b Ilmari Karonen / GNU Free Documentation http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Refrige 20/03/2012
License. rator-cycle.svg
Autor Desconhecido.
14b Pierre gencey / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Frigida 20/03/2012
ire_tm.jpg
14c Paul Robinson / GNU Free Documentation http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Refrige 20/03/2012
License. rator2.svg
22 UFRN 2001 http://professor.bio.br/fisica/lista.all.asp?curpag 20/03/2012
e=340
25 ENEM 2002 http://www.fisicafacil.pro.br/enem/enem15.ht 20/03/2012
m

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