Segunda Lei Termodinamica

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FISICA II
Rafael Rocha da Silva
Segunda Lei da Termodinâmica
Qualquer processo em que a energia total do processo seja conservada é compatível com a 1ª Lei da termodinâmica.
Se um dado processo ocorre em um dado sentido ou sequência temporal, conservando a energia em cada instante, nada impediria de acordo com a 1ª Lei que ele ocorresse em sentido inverso, ou seja, o processo seria reversível.
A experiência mostra que os processos observados em escala macroscópica ocorrem num só sentido, ou seja, são irreversíveis. 
A segunda Lei da Termodinâmica contribui para esclarecer a origem da “seta do tempo”. 
Processos Reversíveis
 
 Um processo é dito reversível se o sistema e todas as partes da sua vizinhança puderem retornar exatamente ao estado inicial.
 
 Todos os processos reais apresentam algum grau de irreversibilidade 
	Processos totalmente reversíveis são impossíveis de ocorrer.
	No entanto, alguns processos, como o escoamento através de um bocal apropriadamente projetado é aproximadamente reversível.
Processos Irreversíveis
 
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.
Reações químicas espontâneas,	misturas espontâneas de matéria em diferentes composições ou estados, atrito - por escorregamento ou de fluidos, magnetização ou Polarização com histerese
Nem todos os processos que satisfazem a 1ª lei podem ocorrer.
Em geral, um balanço de energia não indica a direção em que o processo irá ocorrer, nem permite distinguir um processo possível de um impossível.
Para os processos simples a direção é evidente, mas para os casos mais complexos, ou aqueles sobre os quais hajam incertezas, um princípio que serve de guia é muito útil.
Direção dos Processos
Todos os processos espontâneos possuem uma direção
definida.
	Corpo quente - esfriamento - equilíbrio
	Vaso pressurizado vazamento - equilíbrio
	Queda de um corpo - repouso
Todos esses casos podem ser revertidos, mas não de modo
espontâneo.
Oportunidade para desenvolver trabalho
Toda vez que existir um desequilíbrio entre 2 sistemas haverá a oportunidade de realização de trabalho. Se for permitido que os 2 sistemas atinjam o equilíbrio de forma não controlada, a oportunidade de realizar trabalho estará irremediavelmente perdida.
A 2ª lei e suas deduções propiciam meios para:
Predizer a direção dos processos.
Estabelecer condições de equilíbrio.
Determinar qual o melhor desempenho teórico dos ciclos, motores e outros dispositivos. 
Avaliar quantitativamente os fatores que impedem que esse melhor desempenho seja atingido.
Na definição de uma escala de temperatura que é independente das propriedades de qualquer substância.
No desenvolvimento de meios para avaliar as propriedades, como Eint e h em termos de outras propriedades que são mais facilmente obtidas experimentalmente.
É impossível realizar um processo cujo único efeito seja remover calor de um reservatório térmico e produzir uma quantidade equivalente de trabalho.
Segunda Lei da Termodinâmica
Enunciado de Kelvin
Enunciado de Clausius
É impossível realizar um processo cujo único efeito seria transferir calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente.
Motor térmico
Um motor térmico produz trabalho a partir de calor, operando ciclicamente. 
Refrigerador
O objetivo de um refrigerador é remover calor Q2 de um reservatório térmico (fonte fria) à temperatura T2. 
O Enunciado de Kelvin implica no enunciado de Clausius
Se (K) não implicasse em (C), um motor térmico real poderia ser acoplado em um refrigerador miraculoso, o qual devolveria a fonte quente o calor transferido a fonte fria pelo motor térmico o resultado final seria remover calor da fonte quente e convertê-lo inteiramente em trabalho, o que invalida o enunciado de Kelvin
O Enunciado de Celsius implica no enunciado de Kelvin
Se (C) não implicasse em (K), um refrigerador real poderia ser acoplado em um motor miraculoso, o qual converteria totalmente em trabalho a diferença entre o calor cedido e o recebido. Esse mesmo trabalho alimentaria o refrigerador real. O resultado final seria a transferência integral da fonte fria a fonte quente sem nenhum outro efeito.
O Ciclo de Carnot
Dadas uma fonte quente e uma fonte fria, qual é o máximo rendimento de um motor térmico operando entre essas duas fontes?
Teorema de Carnot
Nenhuma máquina térmica que opere entre uma dada fonte quente e uma dada fonte fria pode ter rendimento superior ao de uma máquina de Carnot.
Todas as máquinas de Carnot que operem entre essas duas fontes terão o mesmo rendimento.
Entropia
Medida termodinâmica que mensura o grau de irreversibilidade de um sistema.
Se um processo irreversível ocorre num dado sistema fechado, a entropia (S) do sistema sempre aumenta ela nunca diminui.
A entropia não obedece uma lei de conservação. Para processos irreversíveis, a entropia de um sistema fechado sempre aumenta. Devido a essa propriedade , a variação da entropia é algumas vezes chamada de “seta do tempo”.
Processos reversos no tempo resultariam em uma diminuição de entropia e nunca ocorrem.
Variação da entropia
Entropia como função de estado
Entropia de processos adiabáticos;
Entropia de transições de fase;
Entropia de fluido incompressível;
Entropia de gás ideal.
Segunda Lei da Termodinâmica
Se um processo ocorre em um sistema fechado, a entropia do sistema aumenta para processos irreversíveis e permanece constante para processos reversíveis. Ela nunca diminui.
Visão estatística da entropia
Microestados acessíveis
 Em mecânica estatística todos os microestados são igualmente prováveis. 
 onde k é a constante de Boltzmann. 
REFERÊNCIAS
[1] Sears, F. W.; Zemansky e Young – "Física", vol. 2. Livros Técnicos e Científicos – LTC, 1993. 
[2] Tipler, P. Física. LTC. 2O.Edição, Vol.1, 2000.
[3] Hallyday, D., Resnick, R. Walker, J.; Fundamentos de Física. Vol. 2, LTC, 1993. 
[4] Nussenzveig, H. M. Fluidos, oscilações e ondas e calor. Vol.2, Ed. Edgard Blücher LTDA, 1997.