A Entropia Nas Máquinas Térmicas

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CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA
FACULDADE DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ENTROPIA NAS MÁQUINAS TÉRMICAS
BELO HORIZONTE
2011.2
ENTROPIA NAS MÁQUINAS TÉRMICAS
Trabalho apresentado à Faculdade de Engenharia Mecânica do Centro Universitário Newton Paiva como requisito parcial para aprovação na disciplina Física III.
Orientador –.
BELO HORIZONTE, NOVEMBRO DE 2011
1 - INTRODUÇÃO
A entropia é palavra de origem grega que significa transformação. De acordo com a segunda lei da termodinâmica, trabalho pode ser 100% convertido em calor, mas a energia térmica não pode ser completamente convertida em trabalho. É com a entropia que procuramos medir qual parcela de energia não pode mais ser transformada em trabalho nas transformações termodinâmicas.
Uma máquina térmica é um dispositivo que converte energia interna em outras formas úteis de energia, tal como a energia cinética. Portanto a máquina térmica é um dispositivo muito útil para compreender a segunda lei da termodinâmica e, consequentemente, a entropia.
1.1 - OBJETIVO
Entender o significado de entropia;
Entender o conceito de uma máquina térmica; 
Compreender o funcionamento de uma máquina térmica; 
2 - REFERENCIAL TEÓRICO
Como vimos, uma máquina térmica é um dispositivo que converte energia interna em outras formas úteis de energia, como a energia cinética. Como exemplo, podemos citar a locomotiva a vapor que obtém sua energia por meio da queima de madeira e carvão. A energia gerada transforma água em vapor, que movimenta a locomotiva. Atualmente no lugar da madeira e do carvão se utiliza óleo diesel.
Em geral, uma máquina térmica faz com que um trabalho seja realizado com processos cíclicos, onde o calor é transferido de uma fonte com uma temperatura elevada, para uma fonte com uma temperatura mais baixa. Podemos dizer que quando o calor é o produto final de uma transformação energética, ele é inútil, como por exemplo, uma xícara de café, automóvel; às vezes o calor pode ser o que desejamos como, por exemplo, o aquecimento de um ambiente ou de uma água cozinhando. Agora, como já foi dito acima, quando o calor é forçado a fazer algo útil, como, por exemplo, um trabalho mecânico, é chamado de máquina térmica. 
Também podemos conceituar uma máquina térmica como: toda vez que existir uma diferença térmica entre dois corpos, existirá um potencial para fluxo de calor, portanto, seria um dispositivo capaz de transformar calor em trabalho, num processo reversível e, por isso mesmo, capaz de retornar as condições iniciais de análise.
Figura 1: Máquina Térmica
Fonte: http://www.kalipedia.com/kalipediamedia/ingenieria/media/200708/22/tecnologia/20070822klpingtcn_28.Ees.SCO.png, Acesso em 01/Nov/2011
Analisando a figura 1, é possível perceber quatro etapas na máquina térmica apresentada:
1ª Etapa: Água líquida, à temperatura ambiente, é introduzida no interior da caldeira por uma bomba. Nesse estágio, ela fica submetida à pressão da caldeira;
2ª Etapa: O calor emitido pela combustão do combustível na caldeira faz com que a água mude da fase líquida para a gasosa, adquirindo uma temperatura elevada, na pressão da caldeira;
3ª Etapa: Ocorre transferência de energia do vapor d’água para o pistão, onde ocorre expansão do vapor com consequente diminuição da temperatura e da pressão;
4ª Etapa: O excesso de vapor é retirado do cilindro por uma válvula e condensado às condições iniciais, podendo ser reintroduzido novamente na caldeira para continuar o ciclo. Com a retirada do excesso de vapor, o pistão retorna à sua posição inicial. 
Em 1824, Nicolas Leonard Sadi Carnot, idealizou uma máquina capaz de realizar uma quantidade máxima de trabalho e que passava por quatro etapas reversíveis e cíclicas:
Expansão isotérmica reversível;
Expansão adiabática;
Compressão isotérmica reversível;
Compressão adiabática.
Essas quatro etapas do ciclo de Carnot estão demonstradas na Figura 2.
Figura 2 – Etapas do Ciclo de Carnot em diagramas PV e TS
Fonte: http://www.unizar.es/lfnae/luzon/CDR3/Carnot.jpg, acesso em 01/11/2011
ANÁLISE DAS ETAPAS DO CICLO DE CARNOT
Primeira Etapa – Expansão Isotérmica Reversível
Nesta etapa, o gás recebe calor de uma fonte a alta temperatura e expande, realizando trabalho nas vizinhanças, sem alteração da temperatura. 
Segunda Etapa – Expansão Adiabática
Nesta etapa do ciclo de Carnot, o gás não troca calor com a vizinhança e, por causa disso, a expansão provocará uma diminuição da temperatura até se chegar à temperatura da fonte fria. 
Terceira Etapa – Compressão Isotérmica Reversível
Nesta etapa, o gás perde calor para uma fonte a baixa temperatura e contrai, recebendo trabalho das vizinhanças, sem alteração da temperatura. 
Quarta Etapa – Compressão Adiabática
Já nesta etapa do ciclo de Carnot, o gás não troca calor com a vizinhança e, por causa disso, a compressão provocará um aumento da temperatura até se chegar à temperatura da fonte quente, restaurando o estado inicial. 
A proporção de energia térmica que pode ser convertida em energia mecânica depende somente das temperaturas das fontes. 
Com o estudo do Ciclo de Carnot descobriu-se uma nova função de estado: a entropia.
A entropia é a variável de estado que se relaciona com o Segundo Princípio da Termodinâmica.
Os sistemas isolados tendem à desordem e a entropia é uma medida dessa desordem.
Portanto, a entropia é uma grandeza que busca medir como a matéria e a energia encontram-se armazenadas e distribuídas em um sistema termodinâmico definido em suas fronteiras. A entropia é uma grandeza bem distinta das grandezas massa, energia interna e quantidade de matéria, mas com certeza, a entropia se relaciona a essas grandezas, sendo, portanto, da mesma forma que elas, uma propriedade do sistema.
Em termodinâmica, a entropia é definida quantitativamente em termos de temperatura e de transferência de calor, mas, é mais útil associarmos a entropia com “a desordem do sistema”. 
Segundo o ciclo reversível de Carnot, sempre se cumpre a fórmula abaixo: 
Aproximando-se de um ciclo reversível quaisquer (em cor preta) por uma linha descontínua na forma de dente de serra formada por adiabáticas (cor azul) e isotérmicas (cor vermelha) tal como é mostrado na figura acima. 
Haverá então:
Se o ciclo for infinitesimal, então:
A entropia se define como uma função de estado, e por tanto, ao longo de um caminho fechado, a variação de entropia é zero.
As variações de entropia na transformação de 1 para 2 são: 
A variação de entropia é o quociente entre o calor e a temperatura, se a temperatura T é constante.
Em todo processo irreversível, a variação de entropia é maior que zero. Em um ciclo reversível, a variação de entropia é zero. A interpretação de uma fórmula que nos permite calcular as variações de entropia tem nos proporcionado uma simulação da tendência para o estado de equilíbrio de um sistema isolado de partículas interagentes. Quando um sistema isolado alcança uma configuração de máxima entropia, já não pode experimentar mudanças, já que foi alcançado o equilíbrio. A Segunda lei afirma que a entropia de um sistema isolado nunca pode decrescer.
3 CONCLUSÃO
Existe um tipo particular de máquinas que é aquele baseado no uso do calor. São as máquinas térmicas. Essas máquinas são construídas para transformar calor em energia mecânica, isto é, certa quantidade de energia na forma de calor flui para um sistema (máquina térmica) e uma parte dessa energia que entrou, sai do sistema na forma de trabalho mecânico. 
Nessas máquinas, o calor é produzido pela queima de algum combustível, que pode ser o carvão, petróleo, gás natural, etc.. Uma grande quantidade das máquinas em funcionamento é baseada nesse princípio, como por exemplo, o motor de combustão interna de um carro onde a energia entra no motor por transferência de matéria, quando o combustívelé injetado no cilindro e uma fração desta energia é convertida em energia mecânica.
O aperfeiçoamento das máquinas térmicas e os estudos teóricos sobre o calor mostraram que nem todo calor pode ser transformado em energia mecânica. 
Por fim vimos que a entropia é a medida da "quantidade de desordem" de um sistema e, quanto maior a desordem desse sistema, maior é a entropia.
REFERÊNCIAS
Disponível em: http://serolmar.wordpress.com/2008/08/07/maquinas-termicas-e-entropia/- Acesso em 21 out. 2011.
Disponível em: http://www.kalipedia.com/kalipediamedia/ingenieria/media/200708/22/tecnologia/20070822klpingtcn_28.Ees.SCO.png,
GAMOW, GEORGE. O Incrível Mundo da Física Moderna. São Paulo: Ibrasa, 1980, págs. 117 e 118.
Revista Brasileira de Ensino de Física - Vol. 25, no. 4, São Paulo, Nov./Dec. 2003
Disponível em: http://www.youtube.com/watch?v=dHTSbgjJUCM -Acesso em 21 out. 2011.
Disponível em: http://www.youtube.com/watch?v=_r-IxlgqBxY- Acesso em 21 out. 2011.
Disponível em: http://www.fisica.ufs.br/egsantana/estadistica/segundo/segundo.htm# Concepto de entropia Acesso em 10 nov. 2011.