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
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.
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
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.
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
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.
Exemplo
Exercício
Motor de combustão interna O motor a gasolina em automóveis e em outras máquinas é um exemplo familiar de máquina térmica.
Motor de combustão interna iclo de Otto e 1 1 1 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)
Motor Diesel iclo Diesel Valores de referência r =15 a 20, g 1,4 > e =65 % a 70 % (< 52 % na prática)
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
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?
Princípio de funcionamento do ciclo de um refrigerador
é absorvido é cedido W é fornecido
ondicionador de ar Um condicionador típico de uma sala possui um coeficiente de performance da ordem de 2,5.
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.
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
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?
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