Termodinâmica.
Transformação de energia

Energia térmica I combustão.
Efeitos da termodinâmica

Entropia

Segunda lei da termodinâmica

Segunda lei da termodinâmica

De acordo com a primeira lei da termodinâmica, cada processo que ocorre em um determinado sistema deve cumprir o princípio da conservação da energia, incluindo o fluxo de calor.

Equação: Aumento na entropia menos o trabalho é igual ao calor

afirma, em outras palavras, que qualquer processo cujo único propósito seja criar ou destruir energia é impossível, isto é, nega a existência de uma máquina de movimento perpétuo de primeira classe.

No entanto, a primeira lei não nos diz nada sobre a direção em que um processo pode ocorrer em um sistema. Assim, dentro do contexto da referida lei, não há limitação para transformar a energia de uma forma para outra. Por exemplo, aquecer no trabalho ou vice-versa. A transformação do trabalho em calor é um processo que pode ocorrer virtualmente sem qualquer limitação: por exemplo, por fricção entre duas superfícies, pela passagem de corrente elétrica, etc. Mas a experiência nos diz que a primeira alternativa só é viável sob limitações muito severas.

Essa restrição na direção, na qual um processo pode ou não ocorrer na natureza, se manifesta em todos os processos espontâneos ou naturais. Na verdade, sempre observamos que um gás comprimido tende a se expandir, esse calor flui de corpos quentes para corpos frios, etc., mas nunca observamos que esses processos ocorrem espontaneamente na direção oposta. Através da segunda lei da termodinâmica, que constitui a generalização dessas observações, podemos entender esses fenômenos.

Entropia na segunda lei da termodinâmica

A segunda lei da termodinâmica exige que, em geral, a entropia total de qualquer sistema não diminua mais do que aumentando a entropia de algum outro sistema. Portanto, em um sistema isolado de seu entorno, a entropia desse sistema tende a não diminuir. Segue-se que o calor não pode fluir de um corpo mais frio para um corpo mais quente sem a aplicação do trabalho (a imposição da ordem) ao corpo mais frio.

Em segundo lugar, é impossível para um dispositivo que trabalha em um ciclo produzir redes a partir de um único reservatório de temperatura; redes de produção requer fluxo de calor a partir de um aquecedor para um tanque de arrefecimento, um único tanque ou sujeito a uma expansão adiabática de arrefecimento, o qual executa um tanque de trabalho adiabático. Como resultado, não há possibilidade de um sistema de movimento perpétuo.

Segue-se que uma redução no aumento da entropia em um processo específico, como uma reação química, significa que ela é energeticamente mais eficiente.

Da segunda lei da termodinâmica conclui-se que a entropia de um sistema que não é isolado pode diminuir. Um condicionador de ar, por exemplo, pode resfriar o ar em uma sala, reduzindo assim a entropia do ar nesse sistema. O calor expulso da sala (o sistema), que o ar condicionado transporta e descarrega para o ar exterior, contribui sempre mais para a entropia do ambiente do que a diminuição da entropia do ar desse sistema. Portanto, a entropia total da sala mais a entropia do ambiente aumenta, de acordo com a segunda lei da termodinâmica.

Outro exemplo pode ser visto em uma instalação de saneamento de água termal solar. Nós definimos o fluido do circuito como um sistema. No momento em que o líquido para o coletor solar e recebe radiação solar, sua energia térmica aumenta e, portanto, sua entropia. O fluido continua circulando pelo circuito passando pelos radiadores e esfria. Quando resfriado, reduz sua energia térmica e, portanto, sua entropia.

Na mecânica,a segunda das leis da termodinâmica, juntamente com a relação termodinâmica fundamental, limita a capacidade de um sistema de realizar um trabalho útil. A mudança de entropia de um sistema na temperatura T absorvendo uma quantidade infinitesimal de calor dQ de uma maneira reversível é dada por dQ / T.

A aplicabilidade de uma segunda lei da termodinâmica é limitada a sistemas próximos ou em estado de equilíbrio. Ao mesmo tempo, as leis que governam sistemas que estão longe do equilíbrio ainda são discutíveis. Um dos princípios orientadores para tais sistemas é o princípio da produção máxima de entropia. Ele afirma que sistemas desequilibrados evoluem de uma maneira que maximiza a produção de entropia.

Máquinas Térmicas

Uma das aplicações mais importantes da primeira lei da termodinâmica é o ciclo de Carnot que subjaz à operação das máquinas térmicas e, de fato, na formulação mais relacionada à engenharia da segunda lei da termodinâmica.

Definição de máquinas térmicas

Um motor ou máquina térmica cujo objetivo é fornecer continuamente o trabalho para o exterior, transformando em trabalho o máximo possível de calor absorvido, consiste em um dispositivo através do qual um ciclo é feito para percorrer um sistema, no sentido de absorver calor enquanto a temperatura é alto, produz uma quantidade menor a uma temperatura mais baixa e realiza um trabalho líquido do lado de fora.

Um exemplo está nos coletores solares. A energia térmica obtida a partir da radiação solar incidente no painel solar será sempre maior do que a energia que é obtida finalmente o sistema (electricidade, calor ou energia mecânica).

Se imaginarmos um ciclo realizado na direção oposta à de um motor, o resultado final será a absorção de calor a baixa temperatura, a expulsão de uma quantidade maior a uma temperatura mais alta e, finalmente, a realização de uma quantidade líquida de trabalho sobre o sistema. Este é o conceito mais simples de uma geladeira e, com efeito, trata-se de um dispositivo que circula nessa direção e é chamado de geladeira. O sistema constitui um refrigerante.

Desenvolvimento e eficiência de máquinas térmicas

O engenheiro francês N.Sadi Carnot (1796-1832) foi o primeiro a considerar a operação de máquinas térmicas. Ele publicou em 1824 sua famosa memória "Reflexões sobre o poder motor do calor e sobre as máquinas apropriadas para desenvolver este poder", onde se dedicou a raciocinar sobre a questão geral de como produzir trabalho mecânico (poder motriz), a partir de fontes que produzem calor.

Carnot descobriu que o ponto-chave em seu estudo era reconhecer que uma máquina térmica requer uma diferença de temperatura para operar. Ou seja, quando uma máquina opera entre dois corpos e extrai calor do mais quente, transfere uma quantidade de calor para o corpo mais frio para se igualar às temperaturas de ambos, ou seja, até que o equilíbrio térmico seja restaurado. Este é o princípio de Carnot, mas Carnot nunca demonstrou a conjectura de que a eficiência de tal máquina depende apenas da temperatura dos vasos entre os quais ela opera.

Quanto à dependência das máquinas com a temperatura, Ocorre a Carnot pensar que uma máquina térmica eficiente deve ser projetada de tal forma que não haja fluxos de calor desperdiçados durante sua operação. Para fazer isso, penso em um processo cíclico no qual apenas a fonte térmica aparece a partir da qual a máquina extrai calor para operar e a fonte fria à qual o calor não utilizável é fornecido. Esta operação minimiza as perdas de calor devido a diferenças de temperatura espúrias e, além disso, no final do ciclo Uf = Ui, a energia interna da substância de operação é a mesma que no início. Portanto, o trabalho líquido realizado no ciclo é o calor absorvido do corpo quente, menos o calor dado ao corpo frio.

O segundo resultado importante que emerge das idéias de Carnot foi demonstrar que nenhuma máquina operando entre dois corpos a diferentes temperaturas pode ser mais eficiente que a máquina concebida por ele, através de:

Teorema de Carnot: "Nenhuma máquina térmica operando em ciclos entre dois navios térmicos, tem uma eficiência maior que a de uma máquina reversível (de Carnot) operando entre as mesmas embarcações"

E mais: "Todas as máquinas reversíveis (máquinas Carnot com diferentes substâncias operacionais) operando entre dois vasos térmicos em temperaturas dadas, têm a mesma eficiência."

A demonstração, é devida a W. Thomson, (Lord Kelvin). Além disso, o Teorema de Kelvin Planck é encontrado: "Qualquer transformação cíclica, cujo único resultado final é absorver calor de um corpo ou fonte térmica a uma determinada temperatura e convertê-lo inteiramente em trabalho, é impossível."

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Última revisão: 12 de abril de 2018