Diagrama do ciclo de Carnot

Representar o diagrama de Ciclo de Carnot e verificar se esse ciclo pode ser proposto ao

sistema de motor de explosão de um automóvel.Introdução

A segunda lei da termodinâmica é enunciada de varias formas, dentre elas iremos estudar entropia (seta do tempo), enunciados de Kelvin e Clausius, correlação entre eles e o conceito de maquinas térmicas.

A segunda lei da termodinâmica é uma das construções intelectuais mais importantes de todos os tempos. Desde suas primeiras formulações no século XIX, tem sido fonte de discussões de vários cientistas de varias áreas das ciências.

Entropia

Outro importante enunciado para a segunda Lei da Termodinâmica é o da entropia (S). Para entendermos um pouco sobre este conceito, devemos ter em mente o significado de processos reversíveis e irreversíveis. Entende-se como processo irreversível um processo no qual um sistema não pode retornar ao seu estado inicial depois de ser modificado, como exemplo, podemos citar um objeto caindo de sua mão, a energia cinética adquirida pelo corpo durante a queda nunca retornará ao objeto transformando-se em energia potencial gravitacional para subir novamente, outro exemplo seria um gás realizando uma expansão livre. E um processo reversível seria todo aquele processo no qual o sistema pode retornar a sua forma original sem que ocorram modificações seu ambiente. De forma geral, a entropia também é conhecida como seta do tempo, ou seja, ela indica o sentido de ocorrência dos processos termodinâmicos e também está relacionada

com a desordem de um sistema. A energia total de um sistema fechado se conserva, ela sempre permanece constante. Para processos irreversíveis a entropia sempre aumenta e sua propriedade central é conhecida como postulado da entropia que pode ser enunciado como:

“Se um processo irreversível ocorrer em um sistema fechado, a entropia (S) do sistema sempre aumenta, ela nunca diminui”.

A mudança na entropia de um sistema termodinâmico pode ser definida como:

Δ_s=∫_i^f▒dQ/T (1).

Onde Q é a energia na forma de calor absorvida ou cedida pelo sistema e T é a temperatura em Kelvin do sistema durante o processo de transferência de energia. Esta equação nos diz que qual quer transferência de energia na forma de calor deve envolver uma variação de entropia. Sendo S uma variável de estado, a diferença entre um estado inicial e um estado final depende unicamente destes estados e não da trajetória seguida pelo sistema.

Segundo a segunda lei da termodinâmica, S aumenta se o processo for irreversível e permanece constante para processos reversíveis, de forma que a segunda lei pode ser escrita na forma:

Δ_s≥ 0.

Enunciado de kelvin e Clausius

Vamos agora apresentar e discutir os enunciados mais importantes da 2° Lei, na forma final que eles tomaram. Em seguida, demonstraremos a equivalência destes dois enunciados.

Enunciado de Kelvin – Planck:

“É impossível construir um dispositivo que opere em um ciclo e que não produza outro efeito além do levantamento de um peso e troca de calor com um único reservatório.”

Enunciado de Clausius:

“É impossível construir um dispositivo que opere em um ciclo e que não produza outro efeito além da troca de calor de um corpo à baixa temperatura para um corpo à alta temperatura.”

Talvez a primeira coisa que chame a atenção nestes enunciados seja seu caráter negativo, isto é, de proibição. Eles afirmam a impossibilidade de certos processos na Natureza. Embora a 1ª Lei também possa ser enunciada de forma negativa (“É impossível criar ou destruir energia.”), sua formulação positiva (“A energia é conservada em todos os processos.”) é igualmente evidente. No caso da 2ª Lei, uma formulação positiva não é imediatamente visível e, usualmente, será feita com uso do conceito de entropia, conforme veremos mais adiante.

A referência à idéia de ciclo em ambos os enunciados merece explicação. Esta idéia está associada, neste contexto, à idéia de continuidade ou permanência dos processos. É, por exemplo, possível conceber um dispositivo que, a partir do consumo de energia previamente armazenada nele, não produza (temporariamente) nenhum efeito sobre o resto do universo (o meio) exceto a transferência de calor de um corpo frio para um corpo quente. Tal dispositivo não opera, porém, em um ciclo. Sua operação é umtransitório que dura até que sua fonte interna de energia se esgote. A 2ª Lei diz respeito a processos que, em princípio, poderiam ser sustentados indefinidamente; o ciclo é a expressão deste tipo de processo.

À primeira vista, o enunciado de Kelvin - Planck, interpretado em conjunção com a 1ª Lei, afirma simplesmente a impossibilidade de um motor térmico de rendimento 100%. Em outras palavras, um motor térmico não pode apenas receber calor de uma fonte quente e realizar trabalho, o qual seria (pela 1ª Lei) numericamente igual ao calor recebido. Entretanto, conforme veremos a seguir, ao impor a necessidade de uma fonte fria para a qual parte do calor precisa ser rejeitado, a 2ª Lei permitirá calcular um limite teórico preciso para o máximo rendimento de um motor térmico que opera entre fontes de temperaturas dadas. Este resultado reproduz as conclusões de Carnot que vimos acima e, em termos práticos, impõe um limite consideravelmente inferior a 100%.

O enunciado de Clausius é de certa forma, de compreensão mais imediata, pois parece refletir diretamente o fato de que calor não fluirá de um corpo frio para um corpo quente sem que algo externo aos corpos faça com que tal aconteça. Esse “algo”, tipicamente trabalho, representa uma alteração no estado do meio. O que o enunciado de Clausius diz é que sem essa alteração, o referido processo de troca de calor não pode ocorrerindefinidamente. Desta maneira, este enunciado