Exercícios sobre 2ª lei da termodinâmica em Física

Máquinas Térmicas

Máquinas térmicas são dispositivos usados para converter energia térmica em energia mecânica. Imagine duas fontes térmicas, uma “quente” (A) e outra “fria” (B), ou seja, a temperatura de A é maior que a de B: . Então, coloca-se uma máquina térmica entre elas. Um fluido operante – por vezes chamado fluido de trabalho –, geralmente vapor d’água, serve de veículo para a energia térmica que sai da fonte quente, passa pelo dispositivo intermediário, que utiliza parte dessa energia na realização do trabalho, o restante dessa energia vai para a fonte fria.

Podemos chamar a quantidade de calor que chega à máquina térmica, vinda da fonte quente, de , e a quantidade de calor que é transmitida pela máquina térmica à fonte fria B de . Assim, o trabalho realizado pela máquina térmica, por conservação de energia, pode ser escrito como:

W = QA - QB

2ª Lei da Termodinâmica

Antes de enunciarmos a 2ª Lei da Termodinâmica, vamos definir o conceito de rendimento. Rendimento de uma máquina térmica nada mais é do que a fração de calor recebido da fonte quente que é usada para a realização de trabalho, assim:

Portanto,

Note que, para ter rendimento de 100%, ouseja iguala 1, o valor de QB deveria ser zero. No entanto, isso é impossível, pois a quantidade de calor QA sai de A devido à existência da fonte fria.

Enunciado de Kelvin-Planck

"É impossível construir um máquinna que, operando em trasnformações cíclicas, tenha como único efeito transformar completamente em trabalho a energia térmica recebida de uma fonte quente.”

Se levarmos em consideração o fato de a energia térmica fluir da fonte quente para a fonte fria, podemos enunciar a 2ª Lei da Termodinâmica da seguinte forma:

Enunciado de Claussius

“É impossível uma máquina, sem ajuda de um agente externo, conduzir calor de um sistema para outro que esteja a uma temperatura maior.”

Disso, concluímos que o calor só pode passar de um sistema de menor temperatura para outro de maior temperatura se um agente externo realizar um trabalho sobre esse sistema – que é o que acontece em máquinas frigoríficas e condicionadores de ar.