Segunda lei termodinâmica

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Segunda lei da
Termodinâmica
Prof: Mucio Costa
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, 
CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO CEARÁ
Campus Fortaleza
Existem fenômenos cujos eventos acontecem numa ordem direta ou inversa,
não nos permitindo saber aquele que aconteceu antes ou depois. Veja o
exemplo do pêndulo. Como saber se primeiro ele estava na direita para depois
ir para esquerda, ou, se do contrário, ele começa da esquerda e vai para a
direita?
FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio
Segunda lei da termodinâmica
Im
ag
e
m
: T
ib
b
e
ts
7
4
 /
 G
N
U
 F
re
e
 D
o
cu
m
e
n
ta
ti
o
n
 L
ic
e
n
se
.
Porém, na vida real, todos os fenômenos espontâneos ou naturais são
irreversíveis.
“A natureza só admite uma sequência para o transcurso dos
acontecimentos. Em todos há uma espécie de orientação que indica o
sentido do transcorrer do tempo” (Alberto Gaspar)
Assim, em um fenômeno irreverversível, é possível distinguir entre o antes e o depois. 
Um copo com água gelada (10°C) colocado sobre a mesa, à temperatura ambiente (25°C),
espontaneamente, receberá sempre calor do ambiente elevando sua temperatura, nunca o
contrário.
Como a Física busca entender e descrever a natureza através de leis, a irreversibilidade dos
fenômenos naturais está expressa na Segunda Lei da Termodinâmica.
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Segunda lei da termodinâmica
Imagem: Malene Thyssen / GNU Free Documentation License.
Os fenômenos naturais são irreversíveis porque o calor gerado por eles nunca pode ser
inteiramente reaproveitado em outra forma de energia.
Aplicando esta regra ao funcionamento das máquinas térmicas, temos que...
Nenhuma máquina térmica operando em ciclos pode retirar
calor de uma fonte e transformá-lo integralmente em
trabalho.
Então, numa máquina térmica, o calor retirado de uma fonte
quente (Qq) será transformado, parte dele em trabalho (δ) e o
restante rejeitado numa fonte fria (Qf).
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Segunda lei da termodinâmica
Im
ag
em
: E
m
o
sc
o
p
es
 /
 G
N
U
 F
re
e
 D
o
cu
m
en
ta
ti
o
n
 L
ic
en
se
.
É antiga a ideia de construir uma máquina que possa
perpetuar seu movimento a partir de uma energia produzida
por ela mesma.
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Segunda lei da termodinâmica
Pesquise sobre o “Moto-perpétuo” e responda se é possível
construir tal máquina obedecendo às leis da Termodinâmica.
Imagens: 
A) (direita, cima) Ulrich von Cranach / Public Domain.
B) (esquerda) M.C.Escher, Waterfall, 1961 / http://www.mcescher.com/Gallery/recogn-bmp/LW439.jpg
Fonte Fria Qf
O funcionamento de uma máquina térmica é
representado pelo diagrama ao lado.
Fonte 
Quente
Qq
MáquinaTrabalho 
realizado
O trabalho realizado pela máquina é o resultado
da diferença entre o calor retirado da fonte
quente e o calor rejeitado na fonte fria.
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Tente identificar, na máquina térmica ilustrada, a:
✓Fonte quente (Qq)
✓Trabalho realizado (δ)
✓Fonte fria (Qf)
Fonte Quente - Qq
Trabalho realizado
Corresponde ao movimento do
pistão para cima,devido à
expansão do vapor de água.
Corresponde ao
aquecimento da água em
uma caldeira, fazendo-a
vaporizar.
Fonte Fria - Qf
Com a abertura da válvula,
água fria é liberada dentro do
cilindro fazendo o vapor
condensar (resfriamento).
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Imagem: Emoscopes / GNU Free Documentation License.
Como você pode observar, o calor rejeitado na fonte fria não pode ser mais aproveitado na
máquina em outro ciclo. Esta energia torna-se indisponível.
O físico Ludwig Eduard Boltzmann, em sua análise estatística da
termodinâmica, afirmou que esta energia indisponível tende aumentar a
desordem do sistema termodinâmico, dando a 2ª lei um novo enunciado:
Em qualquer sistema físico, a tendência natural é o aumento da
desordem; o restabelecimento da ordem só é possível mediante o
dispêndio (gasto) de energia.
A tendência à desordem pode ser medida pela Entropia. Logo, quanto maior a desordem num
sistema termodinâmico, maior sua Entropia.
Assim, podemos afirmar que:
Em todo processo natural espontâneo, a entropia do
Universo sempre aumenta.
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Imagem: Autor desconhecido / Public Domain
O rendimento de uma máquina é definido pelo
percentual de calor transformado em trabalho.
100
Q
τ
η
q
=
Como o trabalho pode ser definido por δ = Qq – Qf ,
então...
q
f
q
fq
Q
Q
1η
Q
QQ
η −=
−
=
Ou, se a máquina operar em ciclos de Carnot, teremos
q
f
T
T
1η −=
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Como não pode existir calor totalmente convertido em trabalho, a segunda lei proíbe a
existência de uma máquina térmica com eficiência de 100%.
100
Q
τ
η
q
=
Se o rendimento de uma máquina é definido pelo percentual de calor 
transformado em trabalho...
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A irreversibilidade se dá em processos espontâneos, porém, com gasto
de energia, é possível fazer processos ocorrerem de modo inverso ao
que ocorreria espontaneamente.
Como exemplo, temos a geladeira, uma máquina que retira calor de
seu interior (fonte fria) e despeja numa fonte quente através de um
trabalho executado por um compressor.
Assim, num refrigerador temos que:
RefrigeradorTrabalho (δ)
Fonte Fria Qf
Fonte Quente Qq
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Imagem: M.Minderhoud / GNU Free 
Documentation License.
Imagem: Keenan Pepper / GNU Free 
Documentation License.
(Tradução Nossa).
O compressor envia o gás liquefeito
(condensado) comprimido por uma
tubulação (serpentina) de pequeno
diâmetro localizada na parte traseira
do refrigerador.
Na unidade de evaporação,
localizada no congelador e painéis
de resfriamento, o gás passa a
uma tubulação de maior diâmetro
e expande-se rapidamente,
evaporando num processo
adiabático, o que provoca seu
resfriamento.
Ao longo da tubulação do
evaporador, o calor flui do
interior da geladeira para o
gás, que retornará ao
compressor.
Então, podemos representar
esquematicamente o trabalho
(δ), o calor lançado na fonte
quente (Qq) e o calor retirado da
fonte fria (Qf).
Qf
δ
Qq
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Imagem: Ilmari Karonen / GNU Free Documentation License.
Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir 
de imagem de Autor Desconhecido.
A seguir, temos a representação de dois refrigeradores.
O primeiro é um modelo simples, com apenas
um ambiente e unidade de congelamento
integrado (uma porta).
O segundo refrigerador é do tipo Duplex (duas
portas) com unidade de congelamento
separada e um painel de resfriamento no
ambiente inferior.
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Imagens da esquerda para a direita: (a)SEE-PE, redesenhado a partir de 
ilustração de Autor Desconhecido. (b) Pierre gencey / Public Domain. (c) Paul 
Robinson / GNU Free Documentation License.
A eficiência (ε) corresponde ao coeficiente obtido pela razão entre o calor retirado da fonte fria
(Qf) e o trabalho realizado (δ) pelo compressor em cada ciclo.
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τ
Q
ε f= Ou, se considerarmos que δ = Qq – Qf então...
fq
f
Q - Q
Q
ε =
Se um refrigerador opera em ciclos de Carnot, então sua eficiência será calculada por...
fq
f
T - T
T
ε =
(01) O calor só pode fluir de um corpo a outro de menor temperatura.
Esta seria uma afirmação correta, segundo o princípio da irreversibilidade dos
processos naturais se fosse introduzida, após calor, a palavra
espontaneamente. Mas, como vimos numa máquina térmica reversa
(refrigerador), com o gasto de energia (realização de trabalho),o calor pode
fluir de um ambiente de menor temperatura para um ambiente de maior
temperatura.
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(02) O princípio da conservação da energia é válido para qualquer sistema físico isolado?
Sim. Lembremos da 1ª Lei da Termodinâmica.Quando um sistema
termodinâmico troca calor com seu entorno, este calor resulta em
realização de trabalho e variação da energia interna do sistema.
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(04) Uma máquina térmica transforma integralmente calor em trabalho?
Não, pois isso contraria a 2ª Lei da Termodinâmica.
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(08) A variação da entropia corresponde à variação da energia útil do sistema?
Sim. A entropia corresponde ao estado de desordem do sistema. O retorno
à ordem depende diretamente do gasto de energia (energia útil).
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(16) Todos os processos naturais irreversíveis acarretam aumento na indisponibilidade de 
energia?
É claro que sim! Lembremos do enunciado decorrente dos trabalhos 
feitos por Boltzmann sobre a segunda lei da termodinâmica:
Em todo processo natural espontâneo a entropia do Universo 
sempre aumenta.
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02. No radiador de um carro, a água fica dentro de tubos de metal (canaletas), como
na figura abaixo. Com a ajuda de uma bomba d'água, a água fria do radiador vai para
dentro do bloco do motor, circulando ao redor dos cilindros. Na circulação, a água
recebe calor da combustão do motor, sofre aumento de temperatura e volta para o
radiador; é então resfriada, trocando calor com o ar que flui externamente devido
ao movimento do carro. Quando o carro está parado ou em marcha lenta, um
termostato aciona um tipo de ventilador (ventoinha), evitando o superaquecimento
da água.
A situação descrita evidencia que, no processo de combustão, parte da
energia não foi transformada em trabalho para o carro se mover.
Examinando-se as trocas de calor efetuadas, pode-se afirmar que
a) considerando o motor uma máquina térmica ideal, quanto maior for
o calor trocado, maior será o rendimento do motor;
b) considerando o motor uma máquina térmica ideal, quanto menor for
o calor trocado, menor será o rendimento do motor;
c) ocorre um aumento da entropia do ar nessas trocas de calor;
d) ocorrem apenas processos reversíveis nessas trocas de calor.
UFRN 2001 / http://professor.bio.br/fisica/lista.all.asp?curpage=340
03. Uma central de energia utilizada por uma equipe móvel de TV desenvolve 1,8.107 joules
de energia elétrica enquanto seu motor a gasolina consome 2,5 litros de combustível, cujo
poder calorífico é de 3,6.107 joules/litro. O rendimento da central é de:
a) 10%;
b) 20%;
c) 40%;
d) 50%;
e) 100%.
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Neste problema, precisamos identificar ...
✓O total de energia retirada do combustível (Qq);
✓A energia utilizada para geração de energia elétrica (δ).
A energia retirada do combustível corresponde a 2,5 litros x 3,6.107 joules/litro. 
J9.10 3,6.102,5Q 77q ==
O texto afirma que, para esta quantidade de energia retirada do combustível, são gerados
1,8.107 joules de energia elétrica (δ). Assim o rendimento desta máquina pode ser calculado
por...
100
Q
τ
η
q
= 100
9.10
1,8.10
η
7
7
= 20%η =
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05. Um refrigerador de uso doméstico é uma máquina térmica invertida: o calor é retirado do
congelador à temperatura de -23°C, enquanto a temperatura do ambiente em que ele se
encontra é de 27°C. O coeficiente de desempenho do refrigerador de Carnot, operando em
ciclos entre essas temperaturas, é
a) 0,20
b) 0,80
c) 2,0
d) 4,0
e) 5,0
Inicialmente é necessário ter os valores das temperaturas em escala absoluta,
assim...
K 00327273T
K 25023)(273T
q
f
=+=
=−+=
Para um refrigerador que opera no ciclo de carnot entre essas
temperaturas, seu coeficiente de eficiência será...
5
50
250
250300
250
TT
T
ε
fq
f ==
−
=
−
=
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