Termodinâmica 15. Alexandre Diehl. Departamento de Física - UFPel

Transcrição

1 Termodinâmica 15 Alexandre Diehl Departamento de Física - UFPel

2 Desigualdade de Clausius Processo cíclico qualquer Ciclo é operado com o calor fornecido por um reservatório principal. O calor é fornecido ao ciclo através de um conjunto de reservatórios auxiliares. Ciclos de Carnot são projetados para operar entre o ciclo e o reservatório principal, tal que os reservatórios auxiliares permaneçam inalterados durante o ciclo. TERMO 2

3 Desigualdade de Clausius Processo cíclico qualquer Ciclo começa no ponto 1. Processo 1 2: Calor é fornecido pelo reservatório auxiliar de temperatura O ciclo de Carnot C 1 é que fornece este calor ao reservatório auxiliar, a fim de mantê-lo inalterado. TERMO 3

4 Desigualdade de Clausius Processo cíclico qualquer Ciclo começa no ponto 1. Processo 1 2: Calor é fornecido pelo reservatório auxiliar de temperatura O ciclo de Carnot C 1 opera entre e outro reservatório auxiliar de temperatura TERMO 4

5 Desigualdade de Clausius Processo cíclico qualquer Ciclo começa no ponto 1. Processo 1 2: Calor é fornecido pelo reservatório auxiliar de temperatura O reservatório auxiliar fornece o calor para operar o ciclo de Carnot C 1. TERMO 5

6 Desigualdade de Clausius Processo cíclico qualquer Ciclo começa no ponto 1. Processo 1 2: Calor é fornecido pelo reservatório auxiliar de temperatura O reservatório auxiliar recebe o calor do reservatório principal, para que permaneça inalterado. TERMO 6

7 Desigualdade de Clausius Processo cíclico qualquer Ciclo começa no ponto 1. Processo 1 2: Calor é fornecido pelo reservatório auxiliar de temperatura Como resultado, os dois reservatórios auxiliares permanecem inalterados, o calor é retirado do reservatório principal e um trabalho é fornecido pelo ciclo de Carnot C 1. TERMO 7

8 Desigualdade de Clausius Processo cíclico qualquer Ciclo começa no ponto 1. Processo 2 3: Calor é fornecido pelo reservatório auxiliar de temperatura O ciclo de Carnot C 2 opera entre e outro reservatório auxiliar de temperatura TERMO 8

9 Desigualdade de Clausius Processo cíclico qualquer Ciclo começa no ponto 1. Processo 2 3: Calor é fornecido pelo reservatório auxiliar de temperatura Repetindo a sequência anterior, os reservatórios auxiliares permanecem inalterados, o calor é retirado do reservatório principal e um trabalho pelo ciclo de Carnot C 2. é fornecido TERMO 9

10 Desigualdade de Clausius Processo cíclico qualquer Sistema composto num ciclo completo O ciclo principal, os ciclos de Carnot C i e os reservatórios auxiliares permanecem inalterados. Calor fornecido ao sistema composto. TERMO 10

11 Desigualdade de Clausius Processo cíclico qualquer Sistema composto num ciclo completo O ciclo principal, os ciclos de Carnot C i e os reservatórios auxiliares permanecem inalterados. Trabalho realizado pelo sistema composto. TERMO 11

12 Desigualdade de Clausius Processo cíclico qualquer Sistema composto num ciclo completo Da 1 a lei da termodinâmica Violação do enunciado de Kelvin-Planck da 2 a lei TERMO 12

13 Desigualdade de Clausius Processo cíclico qualquer Sistema composto num ciclo completo Única solução possível: TERMO 13

14 Desigualdade de Clausius Processo cíclico qualquer Sistema composto num ciclo completo Única solução possível: TERMO 14

15 Desigualdade de Clausius Processo cíclico qualquer Sistema composto num ciclo completo No limite de um número infinito de reservatórios auxiliares (e ciclos de Carnot), com diferenças infinitesimais de temperaturas: Desigualdade de Clausius TERMO 15

16 Reversibilidade e irreversibilidade Da desigualdade de Clausius Ciclo reversível Ciclo irreversível TERMO 16

17 Reversibilidade e irreversibilidade Da desigualdade de Clausius I R Como R é reversível TERMO 17 I R

18 Reversibilidade e irreversibilidade Da desigualdade de Clausius I R Como R é reversível TERMO 18 I R

19 Reversibilidade e irreversibilidade Da desigualdade de Clausius Para um processo reversível R Assim, I Para a igualdade, o processo é REVERSÍVEL TERMO 19

20 Entropia e a 2 a lei da termodinâmica Reservatórios locais Universo termodinâmico Sistema composto, formado pelo sistema (ou sistemas) em estudo e eventuais reservatórios auxiliares locais, que é isolado. Reservatório locai Sistema composto Parte do meio exterior local do sistema, que é capaz de interagir (trocar calor, realizar ou receber trabalho) diretamente com o sistema termodinâmico em estudo. TERMO 20

21 Entropia e a 2 a lei da termodinâmica Reservatórios locais Universo termodinâmico Sistema composto, formado pelo sistema (ou sistemas) em estudo e eventuais reservatórios auxiliares locais, que é isolado. Sistema isolado: Sistema composto Todo sistema encerrado (ou limitado) por paredes que são restritivas à troca de calor (adiabáticas), à variação de volume (fixas) e à variação do número de partículas (impermeáveis) Num sistema isolado, a energia total, o volume total e o número total de partículas não mudam. TERMO 21

22 Entropia e a 2 a lei da termodinâmica Universo termodinâmico Se o sistema está isolado, ou seja, Sistema composto A entropia de um sistema isolado nunca diminui. TERMO 22

23 Entropia e a 2 a lei da termodinâmica Universo termodinâmico Sistema composto A entropia de um sistema isolado nunca diminui. 2 a lei da termodinâmica Permanece inalterada em processos reversíveis Aumenta em processos irreversíveis TERMO 23

24 Entropia e a 2 a lei da termodinâmica Universo termodinâmico Processo reversível Ao final de um processo reversível, tanto o sistema como o meio exterior local podem ser reintegrados aos seus estados de equilíbrio iniciais, sem produzir qualquer variação no resto do universo termodinâmico. Sistema composto Se não obedecer estes critérios, o processo é dito irreversível. TERMO 24

25 Entropia e a 2 a lei da termodinâmica Universo termodinâmico Para sistemas isolados, o equilíbrio termodinâmica é dado pelo estado de máxima entropia total, consistente com os vínculos externos ao sistema. Sistema composto 2 a lei da termodinâmica TERMO 25

26 Entropia e a 2 a lei da termodinâmica Universo termodinâmico Embora a entropia total do sistema isolado sempre aumente, ou permaneça inalterada para processos reversíveis, a entropia de parte do sistema composto pode diminuir. Sistema composto TERMO 26

27 Entropia e energia indisponível A quantidade é sempre indisponível para a realização de trabalho num processo irreversível. Como num processo reversível não temos energia indisponível, a máxima quantidade de trabalho possível é obtida quando o processo de realizado de forma reversível. Sistema composto A indisponibilidade de energia está associada com a liberação de calor para uma fonte fria que participa do processo (a energia total é conservada, pela 1 a lei). TERMO 27

28 Entropia e energia indisponível A quantidade é sempre indisponível para a realização de trabalho num processo irreversível. A entropia de um dado estado pode ser vista como uma medida da indisponibilidade de energia útil (que pode ser aproveitada) naquele estado. Sistema composto TERMO 28

29 Entropia e energia indisponível Irreversibilidade mecânica externa Transformação isotérmica de trabalho mediante um sistema (que permanece invariável) em energia interna de um reservatório. Uma corrente elétrica de 10 A é mantida durante 1 s em um resistor de resistência R=25, enquanto a temperatura do resistor é conservada constante a 27 o C. Universo termodinâmico Bateria + resistor + água a 27 o C Sistema reservatório TERMO 29

30 Entropia e energia indisponível Irreversibilidade mecânica externa Potência dissipada no resistor Uma corrente elétrica de 10 A é mantida durante 1 s em um resistor de resistência R=25, enquanto a temperatura do resistor é conservada constante a 27 o C. Calor fornecido ao reservatório durante o processo (1 s) Variação de entropia do reservatório TERMO 30

31 Entropia e energia indisponível Irreversibilidade mecânica externa Potência dissipada no resistor Uma corrente elétrica de 10 A é mantida durante 1 s em um resistor de resistência R=25, enquanto a temperatura do resistor é conservada constante a 27 o C. Calor fornecido ao reservatório durante o processo (1 s) Variação de entropia do sistema (resistor) pois o resistor permanece inalterado TERMO 31

32 Entropia e energia indisponível Irreversibilidade mecânica externa Potência dissipada no resistor Uma corrente elétrica de 10 A é mantida durante 1 s em um resistor de resistência R=25, enquanto a temperatura do resistor é conservada constante a 27 o C. Calor fornecido ao reservatório durante o processo (1 s) Variação de entropia do universo Logo, o processo é irrreversível. TERMO 32