TERMODINÂMICA Capítulo 5

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TERMODINÂMICA CLÁSSICA
Capítulo 5 – Segunda Lei da Termodinâmica
Prof. Ivan M. Corgozinho
Introdução
Há sentidos preferenciais de ocorrência dos fenômenos naturais.
Sentido de maior para menor altura;
Transferência de calor do quente para o frio;
Difusão de espécies químicas do meio de maior para o de menor concentração;
Movimentação de um fluido do sentido de maior para menor pressão;
Maior para o menor potencial de energia;
Desequilíbrio para o equilíbrio;
Do mais organizado para o menos organizado.
Introdução
A 1 ª LEI trata das possibilidades de conversão das formas de energia, a 2ª LEI impõe restrições a estas, especialmente quanto ao sentido das conversões.
A 1ª LEI trata das equivalências quantitativas das diferentes formas de energia, a 2ª LEI trata das NÃO equivalências qualitativas entre as diferentes formas de energia. 
Introdução
A 1 ª LEI é capaz de quantificar a energia interna de uma substância, mas não diz nada sobre o quanto desta energia está disponível para ser utiliza na forma de trabalho útil.
A 1ª LEI permite analisar eficiências de vários equipamentos em um processo, mas não é tão eficaz quanto a 2ª LEI para detectar os maiores potenciais de melhoria.
Introdução
A 1 ª LEI define a propriedade de estado ENERGIA.
A 2ª LEI define a propriedade de estado ENTROPIA.
Sentido natural dos fluxos de calor
Motores térmicos e refrigeradores
Motores térmicos e refrigeradores
Motor térmico elementar
Corpo a alta temperatura
Corpo a baixa temperatura
Motores térmicos e refrigeradores
Ciclo termodinâmico para produção trabalho
Motores térmicos e refrigeradores
Ciclo termodinâmico para REFRIGERAÇÃO
Motores térmicos e refrigeradores
Enunciados da 2ªLei da Termodinâmica
Rudolf Julius Emanuel Clausius
(1822-1888)
Max Karl Ernst Ludwig Planck
(1858-1947)
Willian Thomson (Lord Kelvin)
(1824-1907)
Enunciados da 2ªLei da Termodinâmica
Enunciado de Kelvin-Plank
É impossível construir um dispositivo que opere em ciclo e produza trabalho a partir de um único reservatório de calor sem outros efeitos.
Enunciados da 2ªLei da Termodinâmica
Enunciado de Clausius
É impossível construir um dispositivo que opere em ciclo e produza trabalho a partir de um único reservatório de calor.
Enunciados da 2ªLei da Termodinâmica
Equivalência dos dois enunciados
Enunciados da 2ªLei da Termodinâmica
Equivalência dos dois enunciados
Viola Segunda Lei 
(Clausius)
Não Viola Segunda Lei
Enunciados da 2ªLei da Termodinâmica
Equivalência dos dois enunciados
Moto contínuo de
 segunda espécie
Viola a segunda Lei (kelvin-Plank)
Enunciados da 2ªLei da Termodinâmica
Equivalência dos dois enunciados
Enunciados da 2ªLei da Termodinâmica
Equivalência dos dois enunciados
Não Viola Segunda Lei 
Viola Segunda Lei
(Kelvin-Plank)
Enunciados da 2ªLei da Termodinâmica
Equivalência dos dois enunciados
Viola a segunda Lei (Clausius)
Processos reversíveis e irreversíveis
Processo reversível
Pode ser restaurado ao estado original sem nenhuma mudança nas vizinhanças.
Processo irreversível
 Não pode ser restaurado ao estado original sem alguma mudança nas vizinhanças.
Irreversibilidade de processos
Exemplo conceitual – Processo Irreversível
Irreversibilidade de processos
Exemplo conceitual – Processo reversível
Irreversibilidade de processos
Atrito
Irreversibilidade de processos
Expansão não resistida
Irreversibilidade de processos
Transferência de calor a diferença finita de temperatura
Irreversibilidade de processos
Misturas
Irreversibilidade interna e externa
Processos reversíveis e irreversíveis
REVERSÍVEL
IRREVERSÍVEL
Em equilíbrio ou quase estáticos
Afastado do equilíbrio
Taxas infinitesimais
Taxas finitas
Tempo infinito
Tempo finito
Ideal
Real
Rendimento máximo de motores térmicos
Limite ideal – Motores reversíveis
Viola a segunda Lei (kelvin-Plank)
Motores térmicos reversíveis
Como nenhuma máquina térmica pode ter rendimento maior que o de um motor reversível, segue que todo motor térmico reversível tem o mesmo rendimento.
Como o rendimento térmico do motor reversível não depende do tipo de substância, segue-se que o rendimento máximo de um motor térmico somente depende das temperaturas dos reservatórios de calor.
Escala Termodinâmica de Temperatura
Temperaturas independentes do instrumento de medição
Escala de Temperatura do gás ideal
Medição de temperatura utilizando gases ideais
Escala de Temperatura do gás ideal
Ciclo de Carnot
Nicolas Léonard Sadi Carnot foi um físico, matemático e engenheiro francês que deu o primeiro modelo teórico de sucesso sobre as máquinas térmicas, o ciclo de Carnot, e apresentou os fundamentos da segunda lei da termodinâmica. (1796-1832)
Ciclo de Carnot
Ciclo Termodinâmico REVERSÍVEL com 4 transformações distintas, 2 isotérmicas e 2 adiabáticas.
Expansão isotérmica a temperatura TH com realização de trabalho e transferência de calor de uma fonte a alta temperatura TH;
Expansão adiabática com realização de trabalho e diminuição de temperatura de TH para TL;
Compressão isotérmica, recebendo trabalho de compressão e rejeição de calor para uma fonte de baixa temperatura TL.
Compressão adiabática, recebendo trabalho de compressão e aumento de temperatura de TL para TH.
Ciclo de Carnot
1-2 Isotérmica
2-3 Adiabática
3-4 Isotérmica
4-1 Adiabática
Rendimento do Ciclo de Carnot de Gás Ideal
1ª LEI
Trabalho de expansão
Calor específico a volume constante
Rendimento do Ciclo de Carnot de Gás Ideal
1-2 Expansão Isotérmica
3-4 Compressão Isotérmica
2-3 Expansão Adiabática
4-1 Compressão Adiabática
Rendimento do Ciclo de Carnot de Gás Ideal
2-3 Expansão Adiabática
4-1 Compressão Adiabática
Rendimento do Ciclo de Carnot de Gás Ideal
2-3 Expansão Adiabática
4-1 Compressão Adiabática
Rendimento do Ciclo de Carnot de Gás Ideal
1-2 Expansão Isotérmica
3-4 Compressão Isotérmica
Rendimento do Ciclo de Carnot de Gás Ideal
1-2 Expansão Isotérmica
3-4 Compressão Isotérmica
No limite, o rendimento do ciclo de Carnot seria 100% quando a temperatura da fonte fria é 0 e nenhum calor é rejeitado.
Ciclo de Carnot de Refrigeração
No limite de temperatura da fonte fria igual a 0, seria requerido um trabalho infinito para retirar um montante finito de calor QL deste ambiente. É por isso que quanto mais baixa a temperatura maior o gasto de energia para refrigeração, pois mesmo para ciclos ideais há uma tendência de aumento deste gasto.
Exercícios
5.1 – 5.14, 5.15, 5.16, 5.18, 5.19, 5.22, 5.23, 5.30, 5.31, 5.36, 5.37, 5.41, 5.48, 5.49, 5.50, 5.51, 5.58, 5.61, 5.71, 5.73, 5.74, 5.75, 5.87, 8.88, 5.97, 5.99, 5.100.