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Introdução a 2ª Lei da Termodinâmica

O professor Leonardo Gomes inicializa o modulo de 2? Lei e Maquinas térmicas revisando alguns conceitos de termodinâmica como a 1? Lei, calor, trabalho e energia interna. Junto, ele discursa sobre o primeiro e o segundo enunciado da 2? Lei da Termodinâmica.

Introdução a máquinas térmicas

Máquinas frigoríficas

Transformações cíclicas no sentido horário

Transformações cíclicas no sentido anti-horário

Determinação da variação da energia interna e do calor nas transformações cíclicas

Introdução ao ciclo de Carnot

Ciclo de Carnot

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: T​A​ ​> T​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 Q​A​​ , e a quantidade de calor que é transmitida pela máquina térmica à fonte fria B de QB. Assim, o trabalho realizado pela máquina térmica, por conservação de energia, pode ser escrito como:

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% (∈=1), o valor de Q​B​​ deveria ser zero. No entanto, isso é impossível, pois a quantidade de calor Q​A​​ sai de A devido à existência da fonte fria.

Enunciado de Kelvin-Planck:

“É impossível construir uma máquina que, operando em transformações 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 Clausius:

“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.

O ciclo de Carnot

Antes mesmo de a 1ª Lei da Termodinâmica ser enunciada, Leonard Sadi Carnot criou dois postulados referentes a uma máquina térmica ideal. São eles:

1° Postulado de Carnot:

“Nenhuma máquina operando entre duas temperaturas fixadas pode ter rendimento maior que a máquina ideal de Carnot, operando entre as mesmas temperaturas”.

2° Postulado de Carnot:

“Ao operar entre duas temperaturas, a máquina ideal de Carnot tem o mesmo rendimento, qualquer que seja o fluido operante”.

Esses postulados garantem que o rendimento de uma máquina térmica é função das temperaturas das fontes frias e quentes.
Para o caso em que o fluido operante é um gás ideal, o ciclo de Carnot é composto por duas transformações isotérmicas e por duas transformações adiabáticas, alternadas. Desse modo, podemos desenhar o seguinte gráfico, da pressão em função do volume:

No ciclo de Carnot, podemos escrever:

|QB| / |QA| = TB / TA

Assim, o rendimento é dado por:

∈ = 1 - TB / TA

Se o rendimento fosse de 100%, teríamos ∈ = 1 e TB ​ ​=0. Mas isso contraria a 2ª Lei, o que nos leva a concluir que nenhum sistema físico pode estar no zero absoluto, segundo a Termodinâmica clássica.
“O zero absoluto seria a temperatura da fonte fria de uma máquina ideal de Carnot que operasse com rendimento de 100%”.