Ciências da Natureza e suas Tecnologias Física Segunda lei da termodinâmica

Transcrição

1 Ciências da Natureza e suas Tecnologias Física

2 Imagem: Tibbets74 / GNU Free Documentation License. FÍSICA - Existem enômenos cujos eventos acontecem numa ordem direta ou inversa, não nos permitindo saber auele ue aconteceu antes ou depois. Veja o exemplo do pêndulo. Como saber se primeiro ele estava na direita para depois ir para esuerda, ou, se do contrário, ele começa da esuerda e vai para a direita?

3 Porém, na vida real, todos os enômenos espontâneos ou naturais são irreversíveis. A natureza só admite uma seuência para o transcurso dos acontecimentos. Em todos há uma espécie de orientação ue indica o sentido do transcorrer do tempo (Alberto Gaspar) Imagem: Malene Thyssen / GNU Free Documentation License. Assim, em um enômeno 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 enômenos naturais está expressa na Segunda Lei da Termodinâmica.

4 Imagem: Emoscopes / GNU Free Documentation License. FÍSICA - Os enômenos naturais são irreversíveis porue o calor gerado por eles nunca pode ser inteiramente reaproveitado em outra orma de energia. Aplicando esta regra ao uncionamento das máuinas térmicas, temos ue... Nenhuma máuina térmica operando em ciclos pode retirar calor de uma onte e transormá-lo integralmente em trabalho. Então, numa máuina térmica, o calor retirado de uma onte uente ( ) será transormado, parte dele em trabalho (δ) e o restante rejeitado numa onte ria ( ).

5 O uncionamento de uma máuina térmica é representado pelo diagrama ao lado. O trabalho realizado pela máuina é o resultado da dierença entre o calor retirado da onte uente e o calor rejeitado na onte ria. Fonte uente Trabalho realizado Máuina Fonte Fria

6 Tente identiicar, na máuina térmica ilustrada, a: Fonte uente ( ) Trabalho realizado (δ) Fonte ria ( ) Corresponde ao movimento do pistão para cima,devido à expansão do vapor de água. Trabalho realizado Fonte Fria - Com a abertura da válvula, água ria é liberada dentro do cilindro azendo o vapor condensar (resriamento). Corresponde ao auecimento da água em uma caldeira, azendo-a vaporizar. Fonte uente - Imagem: Emoscopes / GNU Free Documentation License.

7 FÍSICA Como você pode observar, o calor rejeitado na onte ria não pode ser mais aproveitado na máuina em outro ciclo. Esta energia torna-se indisponível. O ísico Ludwig Eduard Boltzmann, em sua análise estatística da termodinâmica, airmou ue esta energia indisponível tende aumentar a desordem do sistema termodinâmico, dando a 2ª lei um novo enunciado: Em ualuer sistema ísico, 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, uanto maior a desordem num sistema termodinâmico, maior sua Entropia. Assim, podemos airmar ue: Em todo processo natural espontâneo, a entropia do Universo sempre aumenta.

8 FÍSICA O rendimento de uma máuina é deinido pelo percentual de calor transormado em trabalho. η = τ 100 Como o trabalho pode ser deinido por δ =, então... η = η = 1 Ou, se a máuina operar em ciclos de Carnot, teremos η = 1 T T

9 Se o rendimento de uma máuina é deinido pelo percentual de calor transormado em trabalho... η = τ 100 Como não pode existir calor totalmente convertido em trabalho, a segunda lei proíbe a existência de uma máuina térmica com eiciência de 100%.

10 A irreversibilidade se dá em processos espontâneos, porém, com gasto de energia, é possível azer processos ocorrerem de modo inverso ao ue ocorreria espontaneamente. Como exemplo, temos a geladeira, uma máuina ue retira calor de seu interior (onte ria) e despeja numa onte uente através de um trabalho executado por um compressor. Assim, num rerigerador temos ue: Fonte uente Imagem: M.Minderhoud / GNU Free Documentation License. Trabalho (δ) Rerigerador Imagem: Keenan Pepper / GNU Free Documentation License. (Tradução Nossa). Fonte Fria

11 O compressor envia o gás liueeito (condensado) comprimido por uma tubulação (serpentina) de peueno diâmetro localizada na parte traseira do rerigerador. Na unidade de evaporação, localizada no congelador e painéis de resriamento, o gás passa a uma tubulação de maior diâmetro e expande-se rapidamente, evaporando num processo adiabático, o ue provoca seu resriamento. Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. δ Ao longo da tubulação do evaporador, o calor lui do interior da geladeira para o gás, ue retornará ao compressor. Então, podemos representar esuematicamente o trabalho (δ), o calor lançado na onte uente ( ) e o calor retirado da onte ria ( ). Imagem: Ilmari Karonen / GNU Free Documentation License.

12 A seguir, temos a representação de dois rerigeradores. O primeiro é um modelo simples, com apenas um ambiente e unidade de congelamento integrado (uma porta). O segundo rerigerador é do tipo Duplex (duas portas) com unidade de congelamento separada e um painel de resriamento no ambiente inerior. Imagens da esuerda 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.

13 A eiciência (ε) corresponde ao coeiciente obtido pela razão entre o calor retirado da onte ria ( ) e o trabalho realizado (δ) pelo compressor em cada ciclo. ε τ = Ou, se considerarmos ue δ = então... ε = - Se um rerigerador opera em ciclos de Carnot, então sua eiciência será calculada por... ε = T T - T