Segunda Lei da Termodinâmica

Segunda Lei da Termodinâmica

Dentre as duas leis da termodinâmica, a segunda é a que tem maior aplicação na construção de máquinas e utilização na indústria, pois trata diretamente do rendimento das máquinas térmicas.

Dois enunciados, aparentemente diferentes ilustram a 2ª Lei da Termodinâmica, os enunciados de Clausius e Kelvin-Planck:

  • Enunciado de Clausius:

O calor não pode fluir, de forma espontânea, de um corpo de temperatura menor, para um outro corpo de temperatura mais alta.

Tendo como consequência que o sentido natural do fluxo de calor é da temperatura mais alta para a mais baixa, e que para que o fluxo seja inverso é necessário que um agente externo realize um trabalho sobre este sistema.

  • Enunciado de Kelvin-Planck:

É impossível a construção de uma máquina que, operando em um ciclo termodinâmico, converta toda a quantidade de calor recebido em trabalho.

Este enunciado implica que, não é possível que um dispositivo térmico tenha um rendimento de 100%, ou seja, por menor que seja, sempre há uma quantidade de calor que não se transforma em trabalho efetivo.

Maquinas térmicas

As máquinas térmicas foram os primeiros dispositivos mecânicos a serem utilizados em larga escala na indústria, por volta do século XVIII. Na forma mais primitiva, era usado o aquecimento para transformar água em vapor, capaz de movimentar um pistão, que por sua vez, movimentava um eixo que tornava a energia mecânica utilizável para as indústrias da época.

Chamamos máquina térmica o dispositivo que, utilizando duas fontes térmicas, faz com que a energia térmica se converta em energia mecânica (trabalho).

A fonte térmica fornece uma quantidade de calor   que no dispositivo transforma-se em trabalho  mais uma quantidade de calor que não é capaz de ser utilizado como trabalho  .

Assim é válido que:

Utiliza-se o valor absolutos das quantidades de calor pois, em uma máquina que tem como objetivo o resfriamento, por exemplo, estes valores serão negativos.

Neste caso, o fluxo de calor acontece da temperatura menor para o a maior. Mas conforme a 2ª Lei da Termodinâmica, este fluxo não acontece espontaneamente, logo é necessário que haja um trabalho externo, assim:

Rendimento das máquinas térmicas

Podemos chamar de rendimento de uma máquina a relação entre a energia utilizada como forma de trabalho e a energia fornecida:

Considerando:

=rendimento;

= trabalho convertido através da energia térmica fornecida;

=quantidade de calor fornecida pela fonte de aquecimento;

=quantidade de calor não transformada em trabalho.

Mas como constatado:

logo, podemos expressar o rendimento como:

O valor mínimo para o rendimento é 0 se a máquina não realizar nenhum trabalho, e o máximo 1, se fosse possível que a máquina transformasse todo o calor recebido em trabalho, mas como visto, isto não é possível. Para sabermos este rendimento em percentual, multiplica-se o resultado obtido por 100%.

Exemplo:

Um motor à vapor realiza um trabalho de 12kJ quando lhe é fornecido uma quantidade de calor igual a 23kJ. Qual a capacidade percentual que o motor tem de transformar energia térmica em trabalho?

Exercícios

Questão 1

Sobre os gases monoatômicos e ideais que passam por um processo de transformação isobárica, podemos afirmar corretamente que:

a) Toda a quantidade de calor (Q) cedida ao sistema será transformada em trabalho mecânico.

b) A quantidade de calor (Q) cedida ao sistema é diretamente proporcional à sua variação de temperatura.

c) A energia interna do gás (U) permanece constante.

d) A variação de energia interna(ΔU) é inversamente proporcional à variação volumétrica (ΔV).

e) A temperatura do gás varia, mas não há trocas de calor entre o sistema e o meio externo.

Questão 2

Um gás é submetido a um processo sob pressão constante de 400 N/m2 e sofre uma redução de seu volume em 0,25 m3. Assinale aquilo que for FALSO:

a) a quantidade de trabalho realizada sobre o gás foi de – 100 J;

b) a variação da energia interna é de -150 J;

c) o gás recebe 250 J de calor;

d) o gás cede 250 J de calor;

e) a variação de temperatura desse gás é negativa;

Primeira Lei da Termodinâmica

Chamamos de 1ª Lei da Termodinâmica o princípio da conservação de energia aplicada à termodinâmica, o que torna possível prever o comportamento de um sistema gasoso ao sofrer uma transformação termodinâmica.

Analisando o princípio da conservação de energia ao contexto da termodinâmica:

Um sistema não pode criar ou consumir energia, mas apenas armazená-la ou transferi-la ao meio onde se encontra, como trabalho, ou ambas as situações simultaneamente, então, ao receber uma quantidade Q de calor, esta poderá realizar um trabalho   e aumentar a energia interna do sistema ΔU, ou seja, expressando matematicamente:

Sendo todas as unidades medidas em Joule (J).

Conhecendo esta lei, podemos observar seu comportamento para cada uma das grandezas apresentadas:

Exemplo:

(1) Ao receber uma quantidade de calor Q=50J, um gás realiza um trabalho igual a 12J, sabendo que a Energia interna do sistema antes de receber calor era U=100J, qual será esta energia após o recebimento?

Exercícios

Questão 1

O que é um gás?

a) Gás é um fluido que não possui as propriedades de compressibilidade e expansibilidade, portanto ocupa somente uma porção do volume em que está contido.

b) Gás é um líquido cujas moléculas que o constituem estão bastante espaçadas umas das outras.

c) Gás é um fluido que apresenta somente a propriedade de expansibilidade.

d) Gás é um fluido que sofre ação da gravidade e não possui propriedades de compressibilidade.

e) Gás é um fluido que possui as propriedades de compressibilidade e expansibilidade e que tende a ocupar todo o espaço onde está contido.

Questão 2

Se dois mols de um gás, à temperatura de 27 ºC, ocupam um volume igual a 57,4 litros, qual é, aproximadamente, a pressão desse gás? (Adote R = 0,082 atm.L/mol.K).

a) ≈ 0,76 atm
b) ≈ 0,86 atm
c) ≈ 1,16 atm
d) ≈ 8,16 atm
e) ≈ 0,66 atm

Leis dos Gases Ideais

O estudo dos gases teve início com Torricelli, quando mediu sua pressão e apresentou adequadas explicações sobre o fenômeno.

A primeira pessoa a utilizar o termo gás foi Jean-Baptiste, um naturalista belgo, alquimista e químico.

O termo gás vem do grego caos e significa espaço vazio.

O gás tem como característica principal ocupar totalmente o volume do recipiente que o hospeda, independentemente de sua quantidade.

Isso acontece porque os gases se comportam de forma desordenada em virtude do grau de liberdade que possuem, ocupando totalmente o volume do recipiente a ele oferecido.

Outra característica dos gases é sua grande capacidade de compressão.

Lei Boyle-Mariotte
Diz que a temperatura de uma amostra de gás permanece constante e sua variação de volume é inversamente proporcional a sua variação da pressão.


pV = a

onde:
p = pressão da amostra
V = volume
a = amostra de gás (depende da temperatura em que ocorre a transformação)

Lei de Charles e Gay-Lussac
Se a pressão da amostra do gás for mantida constante, sua temperatura e volume são diretamente proporcionais.

Onde:
V = volume
T = temperatura
Obs.: Essa proporcionalidade volume e temperatura só são válidas para a escala Kelvin.

Lei Geral dos Gases Perfeitos
Procura relacionar em uma transformação de massa gasosa, as variáveis: temperatura, pressão e volume.

É representada pela equação matemática:

Onde:
p1 = pressão inicial
V1 = volume inicial
T1 = temperatura inicial
p2 = pressão final
V2 = volume final
T2 = temperatura final

Balões meteorológicos – Em altas camadas atmosféricas, a pressão deles é reduzida, expandindo o gás

Exercícios

Questão 1

(FPS-PE) Pretende-se aquecer e ferver uma amostra de meio litro de água pura, mantida inicialmente na temperatura de 25 ºC, fazendo-se uso de um aquecedor elétrico com potência nominal de 1000 Watts. Sabendo-se que o volume de água a ser aquecido está acondicionado em um recipiente isolado do ambiente, cuja capacidade térmica vale 360 J/ºC e que o calor específico da água é igual a 4180 J/(kg ºC), o tempo necessário para iniciar o processo de vaporização da amostra de água é de aproximadamente:

a) 3 minutos

b) 30 minutos

c) 30 segundos

d) 10 minutos

e) 1 hora

Questão 2

(UEA) Define-se a capacidade térmica de um corpo (C) como a razão entre a quantidade de calor que ele recebe (Q) e a correspondente variação de temperatura ocorrida (ΔT):

Se um corpo de capacidade térmica igual a 25 cal/ºC recebe calor de uma fonte durante 20 minutos com taxa constante de 50 cal/min, ele sofre uma variação de temperatura, em ºC, igual a

a) 10,0.

b) 40,0.

c) 50,0.

d) 62,5.

e) 84,5.

Questão 3

(Fatec) Um chuveiro elétrico de potência 4200 W é usado para aquecer 100 g de água por segundo em regime permanente. O calor específico da água é c = 4,2 J/g.°C. Despreze a possível perda de calor para o ambiente. Se a temperatura de entrada da água no chuveiro é de 23°C, sua temperatura de saída é de:

a) 28 °C

b) 33 °C

c) 38 °C

d) 41 °C

e) 45 °C