Entropia e a Segunda Lei da Termodinâmica

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1 ENTRO DE IÊNIAS E TENOLOGIA AGROALIMENTAR UNIDADE AADÊMIA DE TENOLOGIA DE ALIMENTOS DISIPLINA: FÍSIA II Entropia e a Segunda Lei da Termodinâmica Prof. Bruno Farias

2 Sentido de um processo termodinâmico Os processos termodinâmicos que ocorrem espontaneamente na natureza, ocorrem sempre em apenas um único sentido. Tais processos são chamados de irreversíveis. Exemplos: Se você coloca suas mãos em torno de uma xícara de café quente, ocorre que as mãos esquentarão e a xícara esfriará. O inverso nunca ocorre. Se você empurrar uma cadeira de balanço ela irá se movimentar por certo intervalo de tempo até parar. Porém você nunca verá o processo inverso ocorrer.

3 Entropia O sentido no qual um processo irreversível ocorre é determinado pela variação de entropia ΔS do sistema no qual ocorre o processo. A entropia S é uma propriedade de estado (ou função do estado) do sistema e mede o nível de desordem do mesmo. Podemos calcular a variação de entropia de um sistema através da equação

4 Segunda Lei da termodinâmica A segunda lei da termodinâmica determina qual é o sentido preferido dos processos termodinâmicos naturais. A segunda lei da termodinâmica pode ser enunciada de diferentes formas : 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, ou seja É impossível a realização de qualquer processo que tenha como única etapa a transferência de calor de um corpo frio para um corpo quente. É impossível a construção de uma máquina que, operando em um ciclo termodinâmico, converta toda a quantidade de calor recebido em trabalho.

5 Máquinas térmicas ualquer dispositivo que transforma parcialmente calor em trabalho utilizando uma substância de trabalho, geralmente operando em processo cíclico. = alor absorvido (fonte energética) = alor rejeitado ( = + ) A cada ciclo é produzido uma quantidade de trabalho W. Obs.: Potência P = W/Dt e Eficiência Térmica W 1 1

6 Processo íclico U2 U 1 DU 0 E aplicando a 1ª Lei da Termodinâmica, temos W A limitação imposta pela 2ª lei da termodinâmica é que não poderá ocorrer uma transformação integral de calor em trabalho.

7 Exemplo

8 Exercício

9 Motor de combustão interna O motor a gasolina em automóveis e em outras máquinas é um exemplo familiar de máquina térmica.

10 Motor de combustão interna iclo de Otto e g 1 r A quantidade r denomina-se razão de compressão. g é a razão entre calores específicos p e v. Valores de referência r =8, g 1,4 > e =56 % (35% na prática)

11 Motor Diesel iclo Diesel Valores de referência r =15 a 20, g 1,4 > e =65 % a 70 % (< 52 % na prática)

12 Refrigeradores Podemos dizer que um refrigerador é uma máquina térmica funcionando com um ciclo invertido. = alor transferido (fonte fonte) A cada ciclo é fornecido ao refrigerador um trabalho W. = alor recebido (fonte fria) oeficiente de Performance K P W

13 Exemplo Um refrigerador possui um coeficiente de performance igual a 2,1. Ele absorve 3,4 x 10 4 J de calor de um reservatório frio em cada ciclo. a) ual é a energia mecânica em cada ciclo necessário para operar o refrigerador? b) Durante cada ciclo, qual é o calor rejeitado para o reservatório quente?

14 Princípio de funcionamento do ciclo de um refrigerador

15 é absorvido é cedido W é fornecido

16 ondicionador de ar Um condicionador típico de uma sala possui um coeficiente de performance da ordem de 2,5.

17 O ciclo de arnot O ciclo idealizado que fornece o máximo rendimento a uma máquina térmica é o ciclo de arnot. Duas transformações isotérmicas alternadas com duas adiabáticas.

18 Para o ciclo de arnot é válida a relação: T T uando substituímos a relação acima na expressão para a eficiência, ficamos com: e arnot T 1 T T T T

19 Exercício Uma máquina de arnot cujo reservatório quente está a uma temperatura de 620 K absorve 550 J de calor nesta temperatura em cada ciclo e fornece 335 J para o reservatório frio. a) ual é o trabalho produzido pela máquina durante cada ciclo? b) ual é a temperatura da fonte fria? c) ual é a eficiência térmica do ciclo?

20 O refrigerador de arnot Invertendo o ciclo de arnot anteriormente apresentado obtemos o ciclo de arnot para um refrigerador. A relação T T continua válida. Substituindo a relação acima na expressão para o coeficiente de performance, ficamos com K arnot T T T