8. A Segunda Lei da Termodinmica I

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A Segunda Lei da Termodinâmica I
MEC-1507 
Sistemas Térmicos I
Luiz Guilherme Vieira Meira de Souza
Introdução
O cumprimento da primeira lei da termodinâmica não garante que o processo vá ocorrer.
Uma xícara com café quente deixada sobre uma mesa em uma sala mais fria irá esfriar.
De acordo com a primeira lei o processo inverso é possível, mas ele ocorre?
Introdução
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O cumprimento da primeira lei da termodinâmica não garante que o processo vá ocorrer.
O trabalho elétrico é fornecido à uma resistência e é transferido para o ambiente em forma de calor. 
De acordo com a primeira lei o processo inverso é possível, mas ele ocorre?
Introdução
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O cumprimento da primeira lei da termodinâmica não garante que o processo vá ocorrer.
Uma roda de pás gira conforme a massa cai e mistura um líquido dentro de um recipiente isolado, convertendo energia potencial em energia interna no fluido.
De acordo com a primeira lei o processo inverso é possível, mas ele ocorre?
Introdução
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Isso tudo deixa claro que os processos ocorrem em uma determinada direção.
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Introdução
Como a primeira lei não faz restrições à direção do processo, o cumprimento dela não garante que o processo possa ocorrer.
Esse problema é resolvido pela Segunda Lei da Termodinâmica.
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Introdução
A utilização da Segunda Lei da Termodinâmica não se limita à identificação da direção dos processos.
Ela também afirma que energia tem qualidade e não apenas quantidade.
A Primeira Lei diz respeito à quantidade de energia e às transformações de energia de uma forma parar outra, sem levar em conta a sua qualidade.
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Introdução
A preservação da qualidade da energia é uma grande preocupação dos engenheiros.
A segunda lei oferece os meios necessários para determinar a qualidade, bem como o nível de degradação da energia durante um processo
A segunda lei também é utilizada para a determinação dos limites teóricos para o desempenho de máquinas térmicas e refrigeradores.
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Introdução
Reservatórios de Energia Térmica 
Para estudar-se a segunda lei, é necessário idealizar um corpo com capacidade de fornecer ou remover quantidades finitas de calor sem sofrer variações de temperatura.
Tal corpo é chamado de reservatório de energia térmica.
Grandes corpos de água e o ar atmosférico podem ser modelados como reservatórios de energia térmica.
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Reservatórios de Energia Térmica
A grande quantidade de energia removida dos rios pelas usinas hidrelétricas não provoca nenhuma variação significativa na temperatura da água.
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Reservatórios de Energia Térmica
Um corpo não necessita ser muito grande para ser considerado um reservatório.
Todo corpo cuja capacidade de energia térmica seja grande com relação à quantidade de energia que ele fornece ou remove pode ser modelado como um reservatório.
O ar de uma sala pode ser tratado como um reservatório de energia térmica na análise da dissipação de calor de um computador.
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Reservatórios de Energia Térmica
Um reservatório que fornece energia na forma de calor é chamado de fonte.
Um reservatório que recebe energia na forma de calor é chamado de sumidouro.
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Reservatórios de Energia Térmica
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Transferência de calor para o meio ambiente a partir de fontes industriais é uma das grandes preocupações de ambientalistas e engenheiros.
Se essa transferência não for feita de forma controlada, pode aumentar significativamente a temperatura de partes do ambiente.
Isso se chama poluição térmica, e caso não seja controlada pode afetar gravemente a vida marinha em lagos e rios.
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Reservatórios de Energia Térmica
http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/poluicao-termica.htm
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Reservatórios de Energia Térmica
Máquinas Térmicas
O trabalho pode ser convertido em calor de forma direta e completa, mas a conversão de calor em trabalho exige a utilização de dispositivos especiais.
Esses dispositivos são chamados de máquinas térmicas.
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Máquinas Térmicas
As máquinas térmicas diferem uma das outras, mas todas têm as seguintes características:
Recebem calor de uma fonte à alta temperatura (energia solar, combustão de um combustível, reator nuclear, etc.);
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Máquinas Térmicas
As máquinas térmicas diferem uma das outras, mas todas têm as seguintes características:
Recebem calor de uma fonte à alta temperatura (energia solar, combustão de um combustível, reator nuclear, etc.);
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Máquinas Térmicas
As máquinas térmicas diferem uma das outras, mas todas têm as seguintes características:
Recebem calor de uma fonte à alta temperatura (energia solar, combustão de um combustível, reator nuclear, etc.);
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Máquinas Térmicas
As máquinas térmicas diferem uma das outras, mas todas têm as seguintes características:
Convertem parte desse calor em trabalho (normalmente na forma de um eixo rotativo);
Rejeitam o restante do calor para um sumidouro à baixa temperatura (atmosfera, rios, etc.);
Operam em ciclos.
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Máquinas Térmicas
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Máquinas Térmicas
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Máquinas Térmicas
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Máquinas Térmicas
Normalmente, as máquinas térmicas e outros dispositivos cíclicos utilizam um fluido a partir de e para o qual o calor é transferido enquanto realizam um ciclo.
Esse fluido é chamado de fluido de trabalho.
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Máquinas Térmicas
O termo máquina térmica é utilizado com frequência com um sentido mais amplo, incluindo dispositivos que produzem trabalho mas não operam em um ciclo termodinâmico.
Os motores de combustão interna alternativos operam em ciclos mecânicos, mas não em ciclos termodinâmicos.
O fluido de trabalho não passa por um ciclo completo.
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Máquinas Térmicas
O dispositivo que melhor se ajusta à definição de máquina térmica é a usina a vapor, que é uma máquina de combustão externa.
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Máquinas Térmicas
Qe = quantidade de calor fornecida ao vapor na caldeira a partir de uma fonte a alta temperatura
Qs = quantidade de calor rejeitada pelo vapor no condensador para um sumidouro a baixa temperatura
Ws = trabalho realizado pelo vapor à medida que se expande na turbina
We = trabalho necessário para comprimir a água até a pressão da caldeira
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Máquinas Térmicas
O trabalho líquido dessa usina de potência é simplesmente a diferença entre a saída total de trabalho e a entrada total de trabalho.
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Máquinas Térmicas
O trabalho líquido pode ser também determinado apenas pelos dados de transferência de calor.
Os quatro componentes da usina a vapor possuem entrada e saída de massa, porém nenhuma massa entra ou sai do sistema.
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Máquinas Térmicas
Para um sistema fechado realizando um ciclo a integral cíclica do calor é igual à integral cíclica do trabalho:
Portanto, o trabalho líquido do sistema é igual à transferência líquida de calor para o sistema:
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Máquinas Térmicas
Eficiência Térmica
Em usinas a vapor, o condensador é o dispositivo que rejeita grandes quantidade de calor em rios, lagos ou na atmosfera.
Não seria possível simplesmente remover o condensador da usina e reutilizar toda essa energia rejeitada?
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Eficiência Térmica
Energia indisponível
Não pode ser reutilizada.
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Eficiência Térmica
Conclui-se com isto que toda máquina térmica deve rejeitar alguma energia para um reservatório de baixa temperatura para completar o ciclo, mesmo em condições ideais.
Isto indica que apenas parte do calor transferido para a máquina térmica é convertida em trabalho.
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Eficiência Térmica
A fração do calor fornecido convertida em trabalho líquido é uma medida do desempenho de uma máquina térmica e é chamada de eficiência térmica (ηt)
Nas máquinas térmicas, o que se deseja é trabalho líquido, e é necessário que se forneça uma quantidade de calor ao fluido de trabalho.
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Eficiência Térmica
Dessa forma, a eficiência térmica de uma máquina térmica pode ser expressa por:
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Eficiência Térmica
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Eficiência Térmica
Para uniformizar o tratamento de máquinas térmicas, refrigeradores e bombas de calor, define-se:
QH - magnitude do calor transferido entre o dispositivo cíclico e o meio a alta temperatura (TH);
QL - magnitude do calor transferido entre o dispositivo cíclico e o meio a baixa temperatura (TL).
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Eficiência Térmica
Assim, expressões para o trabalho líquido e para a eficiência térmica de qualquer máquina desse tipo podem também ser escritas nas formas:
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Eficiência Térmica
A eficiência é um parâmetro muito importante, pois quanto maior for, menor será o consumo de combustível e a poluição.
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Eficiência Térmica
As eficiências térmicas dos dispositivos produtores de trabalho são relativamente baixas.
Motores de ignição por centelha têm eficiência térmica de cerca de 25%;
Para motores de ignição por compressão e grandes turbinas a gás esse número chega a 40%;
Algumas usinas recentes de ciclo combinado atingiram eficiências acima de 60%.
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Eficiência Térmica
Exercícios
Calor é transferido de uma fornalha para uma máquina térmica a uma taxa de 80 MW. 
Considerando que a taxa na qual calor é rejeitado para um rio próximo é de 50 MW, determine a potência líquida produzida e a eficiência térmica da máquina.
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Exercício 1
Um motor de um carro com potência de 65 hp tem uma eficiência térmica de 24%. 
Determine a taxa de consumo do combustível desse carro se o poder calorífico do combustível for 44.000 kJ/kg (ou seja, 44.000 kJ de energia é liberada para cada kg de combustível queimado).
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Exercício 2
Enunciado de Kelvin - Planck
Foi demonstrado anteriormente que para completar um ciclo, mesmo sob condições ideais, uma máquina térmica deve rejeitar uma certa quantidade de calor para um reservatório a baixa temperatura.
Isto é, nenhuma máquina térmica pode converter em trabalho útil todo o calor que recebe.
Essa limitação é a base para o enunciado de Kelvin-Planck da Segunda Lei da Termodinâmica.
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Enunciado de Kelvin - Planck
“É impossível para qualquer dispositivo que opera em um ciclo receber calor de um único reservatório e produzir uma quantidade líquida de trabalho”.
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Enunciado de Kelvin - Planck
O enunciado de Kelvin - Planck também pode ser expresso como: nenhuma máquina térmica pode ter uma eficiência térmica de 100%.
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O Enunciado de Kelvin-Planck
Ressalta-se que a inexistência de uma máquina térmica 100% eficiente não se deve ao atrito ou a outros efeitos de natureza dissipativa.
É uma limitação que se aplica tanto às máquinas térmicas idealizadas quanto às reais.
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Enunciado de Kelvin - Planck