Entropia e Segunda Lei

Transcrição

1 Entropia e Segunda Lei BC0205 Roosevelt Droppa Jr. [email protected]

2 Entropia e Segunda Lei Sentido de um processo Desordem no processo Conceito de entropia Entropia em proc. reversíveis e irreversíveis Enunciados da 2ª lei Interpretação microscópica da entropia

3 Processos Termodinâmicos O que define a direção preferencial de certos processos ocorrem? Em que a primeira Lei tem a contribuir em relação a esta direção preferencial? Quando seguramos uma xícara de café quente a nossa mão esquenta e a xícara esfria e não o contrário. O que define a espontaneidade de um processo?

4 Processos Termodinâmicos Processo Reversível: É um processo no qual o sistema esta em equilíbrio a cada passo da transformação (processo quase estático). Nos processos reversíveis o sistema pode retornar as suas condições iniciais apenas revertendo a direção do processo termodinâmico. Processo Irreversível: É um processo no qual é impossível para o sistema retornar as suas condições iniciais apenas revertendo o processo termodinâmico. Neste processo o sistema não esta em equilíbrio a cada passo da transformação.

5 Sentido de um processo

6 A flecha do tempo

7 Problema na 1ª lei Necessário introduzir variável e uma lei que dê conta da seta do tempo e da desordem

8 Desordem nos processos termodinâmicos A energia cinética macroscópica é a energia associada a organização, no gás ideal sabemos que quanto menor é a temperatura, menor a energia cinética e menor é o erro na energia. Ou seja, a energia cinética está ligada ao movimento coordenado de muitas moléculas. Porém, a transferência de calor envolve variações de energia do estado aleatório, e contribui para um maior desordenamento do movimento molecular.

9 Desordem nos processos termodinâmicos Por trás da desordem está a irreversibilidade dos processos, não podendo voltar ao que era antes.

10 Conceito de entropia

11 Conceito de entropia

12 Entropia e desordem

13 Entropia em processos reversíveis

14 A Entropia é Uma Função de Estado? SIM! Qual a Conseqüência? Para calcular a variação de entropia de um processo irreversível, utilizamos um processo reversível no qual os pontos iniciais e finais são os mesmos. Ex: Expansão livre vs. Expansão isotérmica. S = f i dq T = Q T

15 Entropia como Função de Estado Para processos reversíveis: de = dq - dw ncvdt = dq - pdv Integrando f i dq T = f i nr dv V + f i nc v dt T S = nrln V f V i + nc v T f T i

16 Processo reversível

17 Entropia em processos irreversíveis

18 Entropia Se um processo irreversível ocorrer em um sistema fechado, a entropia do sistema sempre aumenta. ΔS>0 Para um processo espontâneo. S = S f S i = f i dq T

19 Exemplo Dois blocos de cobre idênticos de massa m=1,5 kg. Um bloco a Temp=60 C e outro bloco a Temp=20 C. Os blocos estão em uma caixa isolada termicamente separados por uma divisória isolante. Quando retiramos a divisória, os blocos entram em equilíbrio térmico a T=40 C. Qual a variação de entropia neste processo? C = 386J/mol K.

20 Exemplo

21 Necessidade de mais uma lei Podemos dizer que todas as leis físicas fundamentais, em particular as leis do movimento, são reversíveis. Entretanto, os processos termodinâmicos que são irreversíveis exige uma lei em que dê conta o sentido do tempo (indo do ordenado para o desordenado). Essa lei é a 2ª lei da termodinâmica e há dois enuciados para ela, um devido a Lord Kelvin e outro a Clausius.

22 Enunciado de Kelvin da 2ª Lei É impossível realizar um processo cujo único efeito seja remover calor de um reservatório térmico e produzir uma quantidade equivalente de trabalho de modo que o sistema termine em um estado idêntico ao inicial.

23 Consequências do enunciado A geração de calor por atrito a partir de trabalho mecânico é irreversível

24 Enunciado de Clausius da 2ª Lei É impossível realizar um processo cujo único efeito seja transferir calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente.

25 Segunda lei pela entropia Se um processo ocorre em um sistema fechado, a entropia do sistema aumenta para processos irreversíveis e permanece constante para processos reversíveis, a entropia nunca diminui. ΔS 0

26 Entropia como um grau de desordem A entropia (do grego εντροπία) é uma grandeza termodinâmica geralmente associada ao grau de desordem. Ela mede a parte da energia que não pode ser transformada em trabalho. É uma função de estado cujo valor cresce durante um processo natural em um sistema fechado.

27 Interpretação microscópica da entropia

28 Interpretação microscópica da entropia

29 Interpretação microscópica da entropia

30 Interpretação microscópica da entropia

31 Interpretação microscópica da entropia

32 Determine a variação de entropia na expansão livre de n moles de um gás à temperatura T. Exercício

33 Resolução

34 Resolução