Tópicos de Física 2 - Parte 1-193-195

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191TÓPICO 5 | TERMODINÂMICA
13. Transformações reversíveis e irreversíveis
Denomina-se transformação reversível aquela em que, após seu término, o 
sistema pode retornar às suas condições iniciais pelo mesmo caminho, isto é, 
passando pelos mesmos estados intermediários, na sequência inversa daquela 
ocorrida na transformação inicial, sem interferência externa. A transformação 
será irreversível se o processo não puder satisfazer às condições citadas acima.
Do exposto, podemos entender que a maioria dos processos naturais são ir-
reversíveis, sendo o processo reversível apenas uma idealização teórica. Quando, 
por exemplo, misturamos dois gases diferentes, torna-se impossível voltar a 
separá-los sem uma intervenção externa; quando provocamos a expansão livre 
de um gás, ele não voltará espontaneamente a ocupar as condições iniciais.
14. Entropia
Sabemos que a temperatura e a energia interna são duas variáveis de estado 
utilizadas na descrição do estado termodinâmico de um sistema. Em 1865, Rudolf 
Clausius usou pela primeira vez uma outra variável, que denominou entropia (S). 
Clausius observou que, se as Leis da Natureza puderem atuar, sem interferências, 
em um sistema, o mais provável é que os integrantes desse sistema tendam a uma 
disposição desordenada. Se, por exemplo, em uma viagem passamos por um bos-
que e encontramos árvores alinhadas e separadas por distâncias praticamente 
iguais, vamos concluir que elas foram plantadas por alguém. Se, no entanto, esse 
bosque, em sua formação, ficou apenas sob as leis naturais, uma “desordem” no 
posicionamento das árvores é o que devemos esperar. Na sua mesa de estudo, o 
normal é encontrarmos seus objetos de uma forma desordenada, e o natural é que 
essa desordem aumente durante o seu estudo. A partir de observações como essas, 
Clausius estabeleceu a ideia de entropia como sendo uma medida dessa desordem.
Como a entropia é uma medida da desordem e os sistemas físicos tendem 
para estados cada vez mais desordenados, podemos inferir que, em processos 
naturais (sujeitos apenas às Leis da Natureza), a entropia do Universo vem au-
mentando ao longo do tempo. Essa poderia ser outra maneira de enunciarmos 
a 2a Lei da Termodinâmica.
Segundo Clausius, quando estudamos a entropia como uma grandeza física na 
forma potencial, o importante não é sabermos o seu valor absoluto, mas sim a 
variação dessa grandeza durante uma transformação. Assim, ele definiu que a varia-
ção de entropia (DS) de um sistema, quando se agrega uma quantidade de calor (Q), 
mediante um processo reversível (à temperatura absoluta constante T), é dada por:
S
Q
T
D 5
Caso a temperatura se altere durante o processo, somente poderemos determi-
nar a variação de entropia por meio de cálculo infinitesimal, que foge do nível esta-
belecido para o nosso curso. No entanto, quando ocorrem pequenas variações de 
temperatura, podemos mantê-la constante em seu valor médio e utilizar a expressão 
anterior, com boa aproximação, para o devido cálculo da variação da entropia.
Do exposto, podemos concluir que:
1) Se um sistema recebe calor Q . 0, sua entropia aumenta e DS . 0.
2) Se um sistema libera calor Q , 0, sua entropia diminui e DS , 0.
3) Se um sistema não troca calor com o meio externo (transformação adiabá-
tica), Q 5 0, a entropia do sistema não varia e DS 5 0.
 No Universo, a entropia 
está aumentando ao longo 
do tempo.
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192 UNIDADE 1 | TERMOLOGIA
Máquina térmica
O primeiro dispositivo que funcionava usando a força do vapor data 
do século I da Era Cristã. Um estudioso de nome Heron, que viveu em 
Alexandria, Egito, deixou um esboço da primeira “máquina térmica” de 
que se tem notícia, a eolípila. Essa máquina era uma esfera metálica, 
oca, encaixada em um cano, através do qual recebia vapor de uma 
caldeira. Em suas laterais encontravam-se dois canos em forma de L. 
O vapor entrava na esfera e saía pelos canos em L. Isso provocava o 
movimento de rotação do dispositivo. Esse “motor” não realizava 
trabalho, era apenas uma forma de se demonstrar a “força” do vapor.
No século XVIII, mais precisamente em 1712, Thomas Newcomen (1662- 
-1729), nascido em Dartmouth, Inglaterra, mecânico de profissão, aperfeiçoou 
uma máquina inventada por seu sócio Thomas Savery (1650-1715), que seria 
utilizada na drenagem de minas. Essa máquina foi instalada com grande 
sucesso nas minas de carvão em Staffordshire, na Grã-Bretanha, e, por qua-
se cinquenta anos, foi utilizada para evitar a inundação das galerias subter-
râneas da área. No entanto, esse dispositivo tinha o inconveniente de gastar 
muito combustível, sendo usado apenas quando os outros meios de drenagem 
não estavam em funcionamento.
Em 1765, coube ao engenheiro escocês James Watt (1736-1819) aperfeiçoar 
a máquina de pistão de Thomas Newcomen, criando um dispositivo mais eco-
nômico e prático.
Essa nova máquina a vapor passou a substituir a força 
animal e humana no funcionamento das máquinas indus-
triais, deflagrando o período histórico denominado Revolu-
ção Industrial, que transformou toda a estrutura social da 
Europa. Em 1830, após sua morte, funcionavam, só na In-
glaterra, mais de 10 000 máquinas a vapor. Em 1814, o inglês 
George Stephenson (1781-1848) encontrou outra utilidade 
para as máquinas térmicas de Watt: movimentar uma loco-
motiva, revolucionando o transporte de pessoas e de bens 
produzidos pelas indústrias.
Ampliando o olhar
 A figura ao lado é uma gravura do século XIX que mostra o “motor” 
inventado por Heron de Alexandria, a eolípila. Essa é a primeira 
“máquina a vapor” de que se tem notícia. (Coleção particular)
 Retrato de James Watt, 
pintado por Carl Frederick von 
Breda em 1792. National 
Portrait Gallery, Londres.
tração
vapor
condensado
válvula
B
válvula A
água fria
cilindro
vapor de
água
condensador
pistão
caldeira
 Na figura ao lado, podemos observar um esquema que 
representa uma das primeiras máquinas térmicas 
idealizada por James Watt. A água aquecida na 
caldeira entrava em ebulição e o vapor se expandia, 
provocando o movimento de um pistão que, acoplado a 
uma roda, desencadeava o movimento de um eixo. 
Ligadas a esse eixo, várias máquinas industriais 
funcionavam e, assim, produziam os 
bens de consumo da época.
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193TÓPICO 5 | TERMODINÂMICA
A geladeira
Há evidências de que, desde muito cedo, os seres humanos 
que viviam em regiões muito frias observaram que o resfriamen-
to dos alimentos conseguia conservá-los por mais tempo. Com o 
deslocamento das populações pelo mundo, esse conhecimento 
se espalhou.
Porém, foi somente no século XIX, precisamente em 1834, 
que Jacob Perkins (1766-1849) patenteou um compressor que 
podia solidificar a água, produzindo gelo artificialmente. A uti-
lização desse compressor possibilitou que algumas indústrias 
prosperassem, como as cervejarias. Os comerciantes de carne 
agora podiam mandar seus produtos para os mais distantes 
países. No início do século XX, em 1902, o americano Willis 
Carrier (1876-1950) instalou em uma gráfica, na cidade de Nova 
York, o primeiro aparelho de ar condicionado, que permitia res-
friar e controlar a umidade do ambiente. No início da década de 
1920, surgiram nos Estados Unidos os primeiros refrigeradores 
domésticos, que logo se popularizaram. Hoje, no Brasil, mais 
de 80% das residências têm geladeira. 
O funcionamento de uma geladeira baseia-se em um processo de 
transferência de calor de uma fonte fria para uma quente. Esse pro-
cesso não é espontâneo. É necessária uma energia externa, em for-
ma de trabalho (no compressor), para que essa transferência possa ocorrer. A geladeira possui, portanto,uma fonte fria (o congelador) e outra quente (o radiador), que se encontra na parte externa traseira, em 
forma de serpentina. O fluido operante usado é o fréon, que vaporiza a baixa pressão no congelador e se 
condensa a alta pressão no radiador. O mecanismo utilizado para reduzir a pressão no congelador é uma 
válvula; para aumentar a pressão no radiador, o mecanismo é um compressor, muito parecido com aquele 
que Perkins inventou. Observe que o fréon retira calor do interior da geladeira ao se vaporizar no congelador 
e libera calor para o ambiente no radiador, quando se condensa ao ser comprimido pelo compressor.
As partes principais do mecanismo de uma geladeira:
A. Compressor: o fréon entra no estado gasoso com baixa pressão e 
sai com alta pressão, já condensado.
B. Válvula: um tubo estreito (capilar) que diminui a pressão do vapor.
C. Radiador: serpentina externa (localizada na parte traseira) na qual 
o vapor se liquefaz, liberando calor para o ambiente.
D. Congelador: o fréon no estado líquido se vaporiza ao absorver calor 
do interior da geladeira.
TA , TB |QB| 5 |QA| 1 τ
 f onte
quente
(TB)
τ
QA QB
 f onte
fria
(TA)
máquina
frigorífica
 Este esquema representa uma máquina frigorífica. Espontaneamente, a fonte fria não transfere 
energia para a fonte quente. Assim, é necessário “forçar” essa transferência pela realização de 
trabalho sobre o sistema. A energia recebida pela fonte quente é a soma da energia retirada da 
fonte fria com o trabalho realizado sobre a máquina.
 Fotografia de geladeira do final do 
século XIX. Na parte superior era 
colocado gelo, que, ao resfriá-la, 
fazia o papel do atual congelador. 
Na parte interna útil, o ar que se 
aquecia retirando calor dos 
alimentos subia por convecção e era 
resfriado na face interna superior.
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