DO SOL AO AQUECIMENTO. Degradação da Energia. 2ª Lei da Termodinâmica

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1 DO SOL AO AQUECIMENTO Degradação da Energia. 2ª Lei da Termodinâmica

2 2 A 1º Lei da Termidinâmica é um caso particular da Lei da Conservação da Energia «A energia de um sistema isolado permanece constante»

3 3 A 1ª Lei da Termodinâmica diz que a quantidade de energia que um sistema fornece tem de ser igual à que o outro recebe, de modo a atingir-se o equilíbrio térmico Saber em que sentido ocorre o processo de transferência de energia, isto é, desde que a energia se conserve qualquer sentido é permitido

4 4 É a 2ª Lei da Termodinâmica que define o sentido da transferência de energia. Uma chávena com café quente, numa sala fria, arrefece de uma forma espontânea e nunca o contrário

5 5 Existem muitos outros processos espontâneos na Natureza A bola, depois de cair, não volta para trás, a menos que se exerça uma ação exterior ao sistema que a coloque de novo no ponto de partida' A água de uma cascata natural desce sempre de um ponto mais alto para outro mais baixo. Este processo é espontâneo e irreversível, a não ser que se utilize uma máquina para elevar a água a um nível superior' O ferro exposto ao ar e à humidade, naturalmente, enferruja

6 A Lei da Conservação da Energia, assim como a 1ª Lei da Termodinâmica, verificam-se em todos os casos. Estas leis de conservação não seriam violadas, se estes processos acontecessem no sentido inverso ao da sua evolução «natural». É a 2." Lei da Termodinâmica que mostra em que sentido decorre a evolução «natural» dos fenómenos. 23/04/ Processo Reversível Em todos os processos referidos anteriormente, está à partida definido um sentido «natural» para que eles ocorram O sentido inverso é impossível, a menos que intervenha um fator externo ao sistema

7 7 Quando a bola cai ao chão, ocorrem deformações e aquecimentos. Estes acontecimentos geram um acréscimo de calor no sistema e nas suas vizinhanças. Mesmo que, por ação de uma máquina ou do Homem, se voltasse a colocar a bola na sua posição inicial, o sistema e as suas vizinhanças já não estariam nas mesmas condições iniciais. O processo é, por isso, irreversível. O sentido de um processo irreversível é o da degradação de energia

8 8 Do ponto de vista físico, a energia degrada-se quando perde a capacidade de realizar trabalho (trabalho útil). Pode então definir-se um dos muitos enunciados da 2ª Lei

9 9 A 2ª Lei da Termodinâmica pode ser formulada em termos de uma nova propriedade de estado de um sistema designada por entropia e que é representada pela letra maiúscula S Definiu-a como sendo uma medida da perda de capacidade do sistema para produzir trabalho Rudolf Clausius ( ), físico e matemático alemão.

10 10 Conhecido também como o Princípio do Aumento da Entropia, permite chegar a algumas conclusões importantes : A entropia de um sistema isolado só se conserva para processos reversíveis (processos independentes do sentido): ΔS = 0; Em processos irreversíveis (processos de um só sentido) a entropia aumenta: ΔS > 0 Através do conhecimento da variação da entropia do sistema, a.2ª Lei da Termodinâmica determina o sentido em que um sistema pode evoluir espontaneamente ao Iongo do tempo.

11 11 Quase todos os fenómenos que ocorrem são irreversíveis e, por isso, a entropia do Universo (um sistema isolado por definição) aumenta continuamente Entropia do sistema 1 Entropia da vizinhança Os processos que podem ocorrer tem de satisfazer a condição: A entropia de um sistema isolado pode variar; no entanto, a variação global terá de ser sempre maior ou igual a zero: ΔS 0

12 12 A 2ª Lei da Termodinâmica afirma que a entropia não pode ser destruída mas pode ser criada. A entropia é criada através da ocorrência de processos irreversíveis, e este tipo de processos conduz a uma degradação da energia. Ou seja, a entropia mede o grau de degradação da energia do Universo. Se, por uma qualquer razão, os livros estivessem todos misturados e desorganizados, o grau de complexidade do sistema aumentava, e a probabilidade de encontrar o livro pretendido seria muito pequena. O livro poderia estar em qualquer posição ou estado' não conhecidos à partida. Esta menor informação, ou maior incerteza é equivalente ao que se designa por desordem.

13 13 Fazendo a equivalência entre os livros da biblioteca e as partículas de um sistema, verifica-se que o número de estados (neste caso, designados por microestados) possíveis de um sistema é infindável É mais provável que o sistema esteja num estado desordenado do que num estado ordenado, pois existem' para um mesmo sistema, mais estados desordenados possíveis' A uma maior complexidade do sistema corresponderá um maior grau de desordem, ou uma maior entropia.

14 Cubos de gelo a derreter num copo são um exemplo de um processo irreversível e de um consequente aumento de entropia do sistema. 23/04/ Entropia é uma medida da desordem microscópica do sistema Quando ocorrem processos irreversíveis (e espontâneos), verifica-se sempre a passagem de um estado organizado para outro mais desorganizado. Exemplo 1 Quando a bola cai e embate no solo, há deformações no sistema e aumento da temperatura da bola e das suas vizinhanças devido ao atrito. As partículas ficam mais desordenadas, ou seja, a entropia aumenta. Exemplo 2

15 15 A entropia é uma medida direta do estado caótico, ou do grau de desordem de um sistema A entropia é tanto maior quanto maior é a desordem microscópica do sistema ou, em termos energéticos, a entropia é tanto maior quanto menor é a qualidade da energia Todos os problemas relativos à degradação de energia estão relacionados com o aumento da entropia do Universo

16 Q Q.2.

17 17 Q.3. Q.4.

18 20 As máquinas térmicas e o seu rendimento

19 21 As máquinas térmicas e o seu rendimento

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22 24 As máquinas frigoríficas e a sua eficiência

23 25 As máquinas frigoríficas e a sua eficiência

24 26 As máquinas frigoríficas e a sua eficiência Eficiência de uma máquina frigorífica, ɛ

25 27 As máquinas frigoríficas e a sua eficiência

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28 30 Energia Transfere-se sob a forma de Radiação Trabalho Calor os quais podem provocar Variação da energia interna manifestada pela 1ª Lei da Termodinâmica Máquinas térmicas onde se define Rendimento (ƞ) η = W Q Q sofre Degradação pode ser verificada nas Máquinas frigorificas onde se define Eficiência (ɛ) ε = Q F W descrita pela 2ª Lei da Termodinâmica pode provocar no sistema Variação da temperatura Q = mcδθ Mudança de fase Q = ml facilidade Bons condutores térmicos que têm Elevada condutividade térmica (k) transferem-se com dificuldade Maus condutores térmicos que têm Baixa condutividade térmica (k) transferem-se por convecção condução ΔQ Δt =k A T 2 T 1 L