Resumo sobre a 2° Lei da Termodinâmica

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° 
 
A segunda lei da termodinâmica afirma que um processo ocorre em uma 
determinada direção, não em qualquer direção. Se a primeira e a segunda lei não 
forem satisfeitas, o processo não acontecerá termodinâmica. 
Uma xícara de café quente não fica mais 
quente dentro de uma sala fria 
Café quente Calor 
Sabemos que uma xícara com café quente deixada em uma 
sala mais fria irá se esfriar. Este processo satisfaz à 
primeira lei da termodinâmica, uma vez que a quantidade 
de energia perdida pelo café é igual à quantidade ganha 
pelo ar vizinho. Consideremos agora o processo inverso, o café 
quente ficando mais quente ainda em uma sala fria, como 
resultado da transferência de calor do ar da sala. Todos 
sabemos que esse processo jamais ocorre. Mesmo assim, ele 
não violaria a primeira lei, uma vez que a quantidade de 
energia perdida pelo ar seria igual à quantidade ganha 
pelo café. 
Assim, é razoável concluir que, para que um processo ocorra, ele deve obedecer à primeira lei da 
termodinâmica. Entretanto, como explicaremos aqui, o cumprimento dessa lei apenas não garante 
que o processo realmente ocorrerá. 
Corpos que podem remover ou rejeitar quantidades de calor finitas 
de maneira isotérmica são chamados de reservatórios de energia 
térmica ou reservatórios térmicos. Trabalho pode ser convertido 
diretamente em calor, mas calor só pode ser convertido em trabalho 
por alguns aparelhos chamados máquinas térmicas. A eficiência 
térmica de uma máquina desse tipo é definida por: 
 
 
 
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 A 2°. lei e suas deduções propiciam meios para: 
1. predizer a direção dos processos 
2. estabelecer condições de equilíbrio 
3. determinar qual o melhor desempenho teórico dos ciclos, motores e outros dispositivos 
4. avaliar quantitativamente os fatores que impedem que esse 
melhor desempenho seja atingido 
5. definição de uma escala de temperatura que é independente das propriedades de qualquer 
substância 
6. no desenvolvimento de meios para avaliar as propriedades, como u e h em termos de outras 
propriedades que são mais facilmente obtidas experimentalmente. 
Um processo é irreversível quando o sistema e todas as partes de sua vizinhança não conseguem 
voltar ao estado inicial. 
Um sistema que passa por um processo irreversível não está impedido de retornar ao seu estado 
inicial. No entanto se o sistema retornar ao estado inicial não será possível fazer o mesmo com 
sua vizinhança. 
Alguns efeitos que tornam os processos irreversíveis. 
1.Transferência de calor com diferença finita de temperatura. 
2.Reações químicas espontâneas. 
3.Atrito - por escorregamento ou de fluidos. 
Processo irreversível 
Todos os processos são irreversíveis, e processos reversíveis não podem 
ocorrer. 
 
 
 
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É aquele no qual o sistema pode retornar as suas 
condições iniciais pelo mesmo caminho e no qual 
cada ponto ao longo da trajetória é um estado 
de equilíbrio. 
Processo reversível 
Máquinas Térmicas 
São máquinas capazes de realizar trabalho a partir da variação de 
temperatura entre uma fonte fria e uma fonte quente. 
As máquinas térmicas diferem umas das outras 
consideravelmente, mas todas têm as seguintes 
características: 
1. Recebem calor de uma fonte à alta temperatura 
(energia solar, fornalha, reator nuclear, etc.). 
2. Convertem parte desse calor em trabalho (em geral, na 
forma de um eixo rotativo). 
3. Rejeitam o restante do calor para um sumidouro à 
baixa temperatura (a atmosfera, os rios, etc.). 
4. Operam em um ciclo. Parte do calor recebido por uma 
máquina térmica é convertida em 
trabalho, enquanto o restante é 
rejeitado para um sumidouro 
Normalmente, máquinas térmicas e outros dispositivos cíclicos utilizam um 
fluido a partir de e para o qual calor é transferido enquanto realizam um 
ciclo. Esse fluido é chamado de fluido de trabalho. 
 
 
 
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 Qent = quantidade de calor fornecida ao vapor na caldeira a partir de uma fonte a alta 
temperatura (fornalha). 
Qsai = quantidade de calor rejeitada pelo vapor no condensador para um sumidouro a baixa 
temperatura (a atmosfera, um rio, etc.). 
Wsai = quantidade de trabalho realizado pelo vapor à medida que se expande na turbina. 
Went = quantidade trabalho necessário para comprimir a água até a pressão da caldeira. 
Representação esquemática de uma usina de potência a vapor 
O trabalho líquido dessa usina de potência é 
simplesmente a diferença entre a saída total de 
trabalho e a entrada total de trabalho: 
 
Em um s i stema fechado rea l izando um c ic l o a 
va r iação da energ ia i nterna U é zero , portanto 
o t raba lho l íqu ido do s i stema é igua l à 
t ransferênc ia l íqu ida de ca lor para o s i stema : 
Qsai representa a magnitude da energia rejeitada necessária para completar o ciclo. Todavia Qsai nunca é zero; 
portanto, o trabalho líquido de uma máquina térmica é sempre menor que a quantidade de calor fornecida 
ao sistema. Isto é, apenas parte do calor transferido para a máquina térmica é convertida em trabalho. A 
fração do calor fornecido convertida em trabalho líquido é uma medida do desempenho de uma máquina 
térmica, e é chamada de eficiência térmica. Nas máquinas térmicas, o que se deseja é trabalho líquido, e é 
necessário que se forneça uma quantidade de calor ao fluido de trabalho. Dessa forma, a eficiência térmica 
de uma máquina desse tipo pode ser expressa por: 
ou 
 
 
 
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Trabalho pode ser convertido diretamente em calor, mas calor só pode ser convertido em 
trabalho por alguns aparelhos chamados máquinas térmicas. A eficiência térmica de uma 
máquina desse tipo é definida por 
onde Wliq,sai é o trabalho líquido realizado pela máquina térmica, QH é o calor fornecido à 
máquina e QL é o calor expelido pela máquina. Refrigeradores e bombas de calor são dispositivos 
que absorvem calor de um meio de baixa temperatura e o descarregam em um meio de alta 
temperatura. O desempenho de um refrigerador ou bomba de calor é representado pelo 
coeficiente de desempenho, definido como: 
O enunciado de Kelvin-Planck da segunda lei da 
termodinâmica afirma que nenhuma máquina 
térmica pode produzir uma quantidade líquida 
de trabalho enquanto troca calor com um único 
reservatório 
O enunciado de Clausius da segunda lei declara 
que nenhum aparelho pode transferir calor de 
um corpo mais frio para um mais quente sem 
modificar a vizinhança 
Qualquer aparelho que viole a primeira 
ou a segunda lei da Termodinâmica é 
chamado de 
moto-contínuo. 
O ciclo de Carnot é um ciclo reversível, composto de quatro processos reversíveis, dois isotérmicos 
e dois adiabáticos. Os princípios de Carnot afirmam que as eficiências térmicas de todas as 
máquinas térmicas reversíveis operando entre os mesmos dois reservatórios são as mesmas e 
que nenhuma máquina térmica é mais eficiente que uma reversível operando entre os 
mesmos dois reservatórios 
Ciclo de Carnot 
 
 
 
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Esses enunciados formam a base para estabelecer uma escala termodinâmica de temperatura 
relacionada às transferências de calor entre um dispositivo reversível e os reservatórios a alta e a baixa 
temperatura por 
Portanto, a razão QH/QL pode ser substituída por TH/TL para 
dispositivos reversíveis, onde TH e TL são as temperaturas absolutas 
dos reservatórios de alta e baixa temperatura, respectivamente. 
 
A máquina térmica que opera segundo o ciclo reversível de Carnot é chamada de máquina térmica de 
Carnot. A eficiência térmica de uma máquina térmica de Carnot, bem como a de todas as outras máquinas 
térmicas reversíveis, é dada por 
Essa é a eficiência máxima que pode ter uma máquina térmica 
operando entre dois reservatórios às temperaturas TH e TL. 
Os COPs de refrigeradores e bombas de calor reversíveis são determinados de maneira 
semelhante como 
Esses são os mais altos COPs que pode ter um refrigerador ou uma bomba de calor operando 
entre os limites de temperatura TH e TL 
e 
 
 
 
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 ExercícioProposto 
Resolver o exercício 6.1 e 6.40 
Questão 6.1 
Um mecânico alega ter desenvolvido um motor de carro que 
funciona com água em vez de gasolina. Qual é a sua resposta a 
essa alegação? 
A água não é combustível, ou seja, essa alegação é falsa. Os combustíveis 
são substâncias que queimamos para produzir calor, esse calor gerado 
pode ser usado para acionar o motor do veículo (energia cinética). A 
água pode, comprovadamente, funcionar como um tipo de condutor 
combustível, sendo utilizada em seu estado bruto, para gerar energia 
elétrica e alimentar motores movidos à eletricidade. Entretanto, utilizar 
a água em seu estado bruto como simples combustível ainda é um 
processo complexo. Para que isso seja possível, precisamos separar o 
Hidrogênio (H2) do Oxigênio (O) , o que torna o processo caro e inviável 
porque a água produz eletricidade e, para fazer o carro andar, 
precisa de energia química no combustível, que é convertida em calor 
durante a explosão da gasolina ou do diesel. Essa energia térmica 
liberada faz com que o motor aperte os pistões do motor, criando 
movimento, que por sua vez gera energia cinética. 
 
 
 
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 Questão 6.40 
Went 
FORA 
AC 
CASA 32°C 20°C 
COP=2,5 
QH 
m = 800 kg 
Cv = 0,72 kj/kg°C 
COP = 2,5 
Quando um homem volta para sua casa bem vedada em um dia de verão, ele 
encontra a casa a 32°C. Ele liga o ar-condicionado, que refrigera toda a casa a 
20°C em 15 min. Se o COP compra e do sistema condicionador de ar for 2,5, 
determine a energia consumida pelo ar-condicionado. Considere que toda a 
massa dentro da casa seja equivalente a 800 kg de ar para a qual Cv=0,72 
kj/kg°C e c = 1.0 kJ/kg. °C.