A 2ª Lei da Termodinâmica fala sobre processos reversíveis e irreversíveis

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A 2ª Lei da Termodinâmica fala sobre processos reversíveis e irreversíveis, e a partir desses processos podemos criar ciclos, o que dá origem às máquinas térmicas.
Entropia
A entropia está relacionada aos processos reversíveis e irreversíveis que discutimos em sala de aula. Um dia na vida de vocês a entropia vai ser algo importante, mas hoje vocês só precisam saber que ela está relacionada à reversibilidade e irreversibilidade das coisas.
Enunciados da 2ª Lei:
É impossível remover energia térmica de um sistema e convertê-la totalmente em trabalho sem mudanças no sistema ou em suas vizinhanças;
De forma espontânea, o calor migra da maior para a menor temperatura;
É impossível que uma máquina térmica operando em ciclos transforme toda a energia térmica em trabalho. (Praticamente igual ao 1º enunciado).
Máquinas Térmicas
As máquinas térmicas tentam reproduzir processos reversíveis. É o que o motor de um carro faz, só que o processo não é totalmente reversível porque ele sempre precisa de combustível.
O objetivo de uma máquina térmica é transformar energia térmica em energia mecânica. 
No desenho, perceba que há uma fonte quente, que manda gás para a máquina térmica, que cria trabalho; e tem uma portinha lá perto do pistão que permite a saída de gás para que o processo torne-se reversível. O gás que escapuliu vai para a "fonte fria", que é o universo.
Desenhando de forma mais simples, fica assim:
Eficiência/Rendimento
Eu posso fazer uma razão entre o Trabalho realizado e o Calor numa máquina térmica para saber o quanto ela é eficiente. Nós fazemos isso dessa forma:
Numa máquina ideal, todo o calor inicial é convertido em trabalho, logo Q1 = W. e a razão W/Q1 seria igual a 1, o que dá um rendimento de 100%.
Numa máquina térmica real, parte do calor vai para a fonte fria (Q2). Então o Trabalho será a diferença entre o calor inicial (Q1) e o final (Q2). W = Q1 - Q2
Continuamos usando a razão entre o W e o Q1 ali de cima, mas agora substituimos o W por Q1 - Q2. Então fica:
η = W/Q1 (esse "η" é de "eficiência". Também podemos ver como "e" )
η = (Q1 - Q2)/Q1
A conta já está certa, mas para facilitar as nossas vidas, colocamos tudo em módulo, assim:
η = (|Q1| - |Q2|)/|Q1|
Você também pode encontrar essa fórmula como η = 1 - (|Q2|/|Q1|)
Ciclo de Carnot
É o processo reversível praticamente perfeito. É aquele com a maior eficiência possível.
É um processo cíclico. Na aula de transformações cíclicas eu já mostrei como é um processo desses num gráfico. Só que neste caso, o processo é composto por duas transformações isotérmicas e duas adiabáticas.
Neste ciclo, quase nada de calor é transferido de um lugar para o outro, por isso, ao se calcular a eficiência do processo nós utilizamos a temperatura ao invés do Q1 e Q2. Fica assim:
η = (T1 - T2)/T1
Como a temperatura se dá em Kelvin, não é necessário utilizarmos módulo na equação.
Não há como existir uma máquina térmica de 100% de rendimento porque precisaríamos de uma temperatura abaixo de 0K para que quando a T2 atingisse um equilíbrio térmico na fonte fria ela ficasse em 0K. Além disso, não existe gás que se comporta como gás em 0K. Nesta temperatura, ele vira um sólido.
Refrigeradores e Aquecedores
É o que a sua geladeira faz. Ela aquece e resfria as coisas ao mesmo tempo. 
Um refrigerador faz tudo ao contrário de uma máquina térmica. A partir de uma fonte fria, ele libera o calor para uma máquina térmica, que a partir de um trabalho induzido por algo externo envia esta "energia fria" para um local quente. Desse jeitinho aqui:
A fonte fria da sua geladeira é o compressor, que mantém o fluido dentro da sua geladeira (freón) de forma líquida. Esse fluido se torna vapor em temperaturas menores do que 0ºC. O líquido desse compressor passa por uma expansão adiabática, tornando-se um gás. O gás sobe até a fonte quente, aonde temos o congelador, e lá ele tenta entrar em equilíbrio térmico com as coisas que estiverem dentro dele (Danoninho ice, feijão...). Depois de um tempo, o gás vai caminhando até o compressor, onde se torna líquido novamente. Para o compressor manter o fluido como líquido, ele precisa realizar trabalho, a partir da energia elétrica. Antes do líquido sofrer uma expansão adiabática, ele perde calor para o meio ambiente, o que faz a parte de trás da geladeira ficar quentinha. 
Um aquecedor funciona da mesma forma que uma máquina térmica. A diferença é que ao invés de se criar trabalho, um trabalho vindo de um meio externo pode aumentar ainda mais a transferência de calor para a fonte fria. Esse trabalho vindo de um meio externo normalmente é a tomada da sua casa. 
Beijo na sua orelha cheia de cera. 
Postado por Humberto às 17:26 
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A segunda lei da termodinâmica foi desenvolvida a partir de dois enunciados diferentes, elaborados por cientistas.
O primeiro é o Enunciado de Clausius, que diz:
“O calor não pode fluir, de maneira espontânea, de um corpo de temperatura menor, para outro corpo de temperatura mais alta.”
O segundo é o enunciado de Kelvin-Planck, que afirma:
“É impossível a construção de uma máquina que, operando em um ciclo termodinâmico, converta toda a quantidade de calor recebido em trabalho.”
A partir destes dois enunciados, podemos concluir que um corpo mais frio não irá perder energia em forma de calor para um corpo mais quente. Porém, um corpo mais quente poderá perder energia em forma de calor para um corpo mais frio, até que os dois corpos estejam em equilíbrio. Para que ocorra o inverso, será necessária uma ação externa, que realize trabalho sobre este sistema.
Ao ler o enunciado de Kelvin – Planck, podemos concluir também que, independente da sofisticação da máquina térmica construída, mesmo que o sistema esteja isolado, sempre haverá a perda de uma parte da energia. Em outras palavras, a energia térmica não será totalmente transformada em trabalho.
Assim, podemos interpretar a segunda lei da termodinâmica da seguinte maneira: apenas um corpo de temperatura mais elevada poderá transferir calor para um corpo de temperatura mais baixa. O contrário não é possível sem a ação de um agente externo.
A transferência de calor irá ocorrer até que o sistema entre em equilíbrio térmico. Além disto, não é possível criar uma máquina térmica de movimento contínuo, pois uma parte da energia térmica será transformada em trabalho e outra será perdida. Não é possível transformar a energia totalmente em trabalho.
Equacionamento da segunda lei da termodinâmica
A segunda lei da termodinâmica pode ser expressada matematicamente da seguinte maneira:
Nesta equação, S é a quantidade de entropia do sistema. A igualdade irá existir somente quando a entropia estiver em seu valor máximo.
As máquinas térmicas
A segunda lei da termodinâmica foi desenvolvida a partir da observação do funcionamento das máquinas térmicas.
Máquinas térmicas são máquinas que funcionam a partir da transformação do calor em trabalho, que também podemos chamar de energia mecânica. Pense nas primeiras máquinas a vapor da revolução industrial. A água era aquecida até 100°C, passando para o vapor. Este vapor movimentava o pistão da máquina, que estava a uma temperatura mais baixa. A partir deste movimento, a energia térmica gerada pelo aquecimento da água foi transforma em energia mecânica (trabalho), possibilitando o funcionamento mecânico das máquinas das primeiras indústrias.
Deste modo, podemos calcular a quantidade de trabalho da máquina térmica com a seguinte equação:
Onde Q1 é a quantidade de calor fornecida e Q2 é a quantidade de calor que foi perdida.
Podemos calcular o rendimento desta máquina térmica. O rendimento é a relação entre a energia térmica fornecida e a energia de trabalho gerada. Assim, termos a seguinte equação:
Os valores de rendimento variam de zero a hum. Zero é para uma máquina sem nenhum rendimento, ou seja, uma máquina que está parada. O valor 1 é um valorhipotético, para uma máquina com total rendimento. Se for preciso conhecer o valor do rendimento em números percentuais, basta multiplicar por 100 o resultado encontrado.
O engenheiro francês Nicolas Carnot desenvolveu um modelo teórico de uma máquina térmica para comprovar que não era possível o rendimento total. Este processo foi chamado de ciclo de Carnot. Por este modelo, Carnot comprovou não ser possível uma máquina com total rendimento, pois seria necessário usar o zero absoluto.
Aplicações da segunda lei da termodinâmica
Embora possa parecer algo distante de nossas atividades cotidianas, a segunda lei da termodinâmica está presente em várias máquinas que utilizamos. Pense em uma freada brusca de uma bicicleta. Se você encostar a mão nos pneus próximos ao chão, irá perceber que foi gerado calor através do atrito. Ou seja, você transformou a energia mecânica de sua bicicleta em calor. Agora, será que é possível utilizar este calor para colocar a bicicleta em movimento novamente? A resposta é não, pois não é possível reverter esta transformação, assim como ocorre nas máquinas térmicas.
Outro ponto que pode ser confuso em relação a segunda lei da termodinâmica é o princípio de que um corpo mais frio não cede calor para um corpo mais quente. Porém, se lembrarmos dos refrigerados, veremos que é isto que acontece. Não exatamente. Nestes sistemas, a troca de calor nãTermodinâmica é o ramo da física que estuda as relações entre calor, temperatura, trabalho e energia. Abrange o comportamento geral dos sistemas físicos em condições de equilíbrio ou próximas dele. Qualquer sistema físico, seja ele capaz ou não de trocar energia e matéria com o ambiente, tenderá a atingir um estado de equilíbrio, que pode ser descrito pela especificação de suas propriedades, como pressão, temperatura ou composição química. Se as limitações externas são alteradas (por exemplo, se o sistema passa a poder se expandir), então essas propriedades se modificam. A termodinâmica tenta descrever matematicamente essas mudanças e prever as condições de equilíbrio do sistema.
Conceitos básicos
No estudo da termodinâmica, é necessário definir com precisão alguns conceitos básicos, como sistema, fase, estado e transformação. Sistema é qualquer parte limitada do universo passível de observação e manipulação. Em contraposição, tudo o que não pertence ao sistema é denominado exterior e é dele separado por suas fronteiras. A caracterização de um estado do sistema é feita por reconhecimento de suas propriedades termodinâmicas. Chama-se fase qualquer porção homogênea de um sistema. O estado depende da natureza do sistema e, para ser descrito, necessita de grandezas que o representem o mais completamente possível. Denomina-se transformação toda e qualquer mudança de estado. Quando formada por uma sucessão de estados de equilíbrio, a transformação é dita reversível.
No estudo da termodinâmica, consideram-se alguns tipos particulares de transformações. A transformação isotérmica é a que se processa sob temperatura constante, enquanto a isobárica é aquela durante a qual não há variação de pressão do sistema. A transformação isométrica se caracteriza pela constância do volume do sistema, a adiabática pela ausência de trocas térmicas com o exterior e a politrópica pela constância do quociente entre a quantidade de calor trocado com o meio externo e a variação de temperatura. Conhecem-se ainda mais dois tipos de transformação —  a isentálpica e a isentrópica — nas quais se observa a constância de outras propriedades termodinâmicas, respectivamente a entalpia (soma da energia interna com o produto da pressão pelo volume do sistema) e a entropia (função associada à organização espacial e energética das partículas de um sistema).
Existem muitas grandezas físicas mensuráveis que variam quando a temperatura do corpo se altera. Em princípio, essas grandezas podem ser utilizadas como indicadoras de temperatura dos corpos. Entre elas citam-se o volume de um líquido, a resistência elétrica de um fio e o volume de um gás mantido a pressão constante.
A equação de estado de uma substância sólida, líquida ou gasosa é uma relação entre grandezas como a pressão (p), a temperatura (t), a densidade (s) e o volume (v). Sabe-se, experimentalmente, que existem relações entre essas grandezas: em princípio, é possível obter uma função do tipo f (p, t, s, v) = 0. Nos casos mais gerais, essas funções são bastante complicadas. Uma forma de estudar as substâncias é representar graficamente a variação de uma grandeza com outra escolhida, estando todas as demais fixas.
Para gases a baixa densidade, podem-se obter equações de estado simples.
Nesse caso, observa-se um comportamento geral, que é expresso pela relação:
PV = nRT
em que P é a pressão do gás, V o volume por ele ocupado, T a temperatura, n o número de moles do gás e R uma constante igual a 8,3149 J/kg.mol.K. Para gases de densidades mais elevadas, o modelo do gás ideal (ou perfeito) não é válido. 
Existem então outras equações de estado, empíricas ou deduzidas de princípios mais fundamentais, como a de van der Waals:
Leis da termodinâmica
As principais definições de grandezas termodinâmicas constam de suas leis: a lei zero é a que define a temperatura; a primeira lei (calor, trabalho mecânico e energia interna) é a do princípio da conservação da energia; a segunda lei define entropia e fornece regras para conversão de energia térmica em trabalho mecânico e a terceira lei aponta limitações para a obtenção do zero absoluto de temperatura.
Lei zero
Embora a noção de quente e frio pelo contato com a pele seja de uso corrente, ela pode levar a avaliações erradas de temperatura. De qualquer forma, é da observação cotidiana dos corpos quentes e frios que se chega ao conceito de temperatura. Levando em conta essas observações, assim postulou-se a lei zero: se A e B são dois corpos em equilíbrio térmico com um terceiro corpo C, então A e B estão em equilíbrio térmico um com o outro, ou seja, a temperatura desses sistemas é a mesma.
Primeira lei
A lei de conservação de energia aplicada aos processos térmicos é conhecida como primeira lei da termodinâmica. Ela dá a equivalência entre calor e trabalho e pode enunciar-se da seguinte maneira: “em todo sistema quimicamente isolado em que há troca de trabalho e calor com o meio externo e em que, durante essa transformação, realiza-se um ciclo (o estado inicial do sistema é igual a seu estado final), as quantidades de calor (Q) e trabalho (W) trocadas são iguais. Assim, chega-se à expressão W = JQ, em que J é uma constante que corresponde ao ajuste entre as unidades de calor (usada na medida de Q) e Joule (usada na medida de W). Essa constante é empregada na própria definição de caloria (1 cal = 4,1868J).
A primeira lei da termodinâmica pode ser enunciada também a partir do conceito de energia interna, entendida como a energia associada aos átomos e moléculas em seus movimentos e interações internas ao sistema. Essa energia não envolve outras energias cinéticas e potenciais, que o sistema como um todo apresenta em suas relações com o exterior.
A variação da energia interna DU é medida pela diferença entre a quantidade de calor (Q), trocado pelo sistema com seu exterior, e o trabalho realizado (W) e é dada pela expressão DU = K – W , que corresponde ao enunciado da lei da termodinâmica. É comum no estudo das transformações o uso da função termodinâmica da entalpia (H), definida pela relação H = U + pV, em que U é a energia interna, p é a pressão e V é o volume do sistema. Num processo em que só existe trabalho de expansão (como, por exemplo, na fusão sob pressão e temperatura constante), a entalpia é a medida do calor trocado entre o sistema e seu exterior.
A relação entre a variação DQ e o aumento correspondente de temperatura Dt , no limite, quando Dt tende a zero, é chamada capacidade calorífica do sistema:
C = DQ/Dt
O calor específico é igual à capacidade calorífica dividida pela massa do sistema:
C = 1 D Q / m D t
Tanto o calor específico quanto acapacidade calorífica do sistema dependem das condições pelas quais foi absorvido ou retirado calor do sistema.
Segunda lei
A tendência do calor a passar de um corpo mais quente para um mais frio, e nunca no sentido oposto, a menos que exteriormente comandado, é enunciada pela segunda lei da termodinâmica. Essa lei nega a existência do fenômeno espontâneo de transformação de energia térmica em energia cinética, que permitiria converter a energia do meio aquecido para a execução de um movimento (por exemplo, mover um barco com a energia resultante da conversão da água em gelo).
De acordo com essa lei da termodinâmica, num sistema fechado, a entropia nunca diminui. Isso significa que, se o sistema está inicialmente num estado de baixa entropia (organizado), tenderá espontaneamente a um estado de entropia máxima (desordem). Por exemplo, se dois blocos de metal a diferentes temperaturas são postos em contato térmico, a desigual distribuição de temperatura rapidamente dá lugar a um estado de temperatura uniforme à medida que a energia flui do bloco mais quente para o mais frio. Ao atingir esse estado, o sistema está em equilíbrio.
A entropia, que pode ser entendida como decorrente da desordem interna do sistema, é definida por meio de processos estatísticos relacionados com a probabilidade de as partículas terem determinadas características ao constituírem um sistema num dado estado. Assim, por exemplo, as moléculas e átomos que compõem 1kg de gelo, a 0o C e 1atm, apresentam características individuais distintas, mas do ponto de vista estatístico apresentam, no conjunto, características que definem a possibilidade da existência da pedra de gelo nesse estado.
A variação da função entropia pode ser determinada pela relação entre a quantidade de calor trocada e a temperatura absoluta do sistema. Assim, por exemplo, a fusão de 1kg de gelo, nas condições de 273K e 1atm, utiliza 80.000cal, o que representa um aumento de entropia do sistema, devido à fusão, em 293J/K.
A aplicação do segundo princípio a sistemas de extensões universais esbarra em dificuldades conceituais relativas à condição de seu isolamento. Entretanto, pode-se cogitar de regiões do universo tão grandes quanto se queira, isoladas das restantes. Para elas (e para as regiões complementares) valeria a lei do crescimento da entropia. Pode-se então perguntar por que motivo o universo não atingiu ainda a situação de máxima entropia, ou se atingirá essa condição um dia.
A situação de máxima entropia corresponde à chamada morte térmica do universo: toda a matéria estaria distribuída na vastidão espacial, ocupando uniformemente os estados possíveis da energia. A temperatura seria constante em toda parte e nenhuma forma de organização, das mais elementares às superiores, seria possível.
o é espontânea. Existe a ação de um agente externo, no caso, o motor do refrigerador.