A segunda lei da termodinâmica

TAPA 3

Aula-tema: Segunda Lei da Termodinâmica.

Esta atividade é importante para você discutir o funcionamento das máquinas térmicas, assim como tratar da irreversibilidade dos processos naturais. Para realizá-la, devem ser seguidos os passos descritos.

PASSOS

Passo 1

Pesquisar em livros da área os diversos enunciados para a Segunda Lei da Termodinâmica, incluindo as concepções sobre a definição de entropia.

Resolução:

Segunda lei da termodinâmica

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.

Considere, por exemplo, um gás sofrendo uma expansão isotérmica AB.

Nesta transformação a variação de energia interna é nula (ΔU = 0).

O gás realiza um trabalho τ às custas da quantidade de calor Q recebida. De fato, pela Primeira Lei da Termodinâmica (Q = τ + ΔU), resulta Q = τ. Embora prevista pela Primeira Lei (que trata da conservação da energia), esta transformação integral de calor em trabalho jamais ocorrerá. As condições para que tal transformação aconteça são impostas pela Segunda Lei da Termodinâmica.

Entre os vários enunciados da Segunda Lei vamos apresentar o proposto por Max Planck e Lord Kelvin, que determina as condições de funcionamento das máquinas térmicas que são os dispositivos que efetuam a conversão de calor em trabalho:

"É impossível construir uma máquina, operando em ciclos, tendo como único efeito retirar calor de uma fonte e convertê-lo integralmente em trabalho".

Passo 2

Representar o diagrama de Ciclo de Carnot e verificar se esse ciclo pode ser proposto ao sistema de motor de explosão de um automóvel.

Resolução:

Nicolas Leonard Sadi Carnot evidenciou que para uma máquina térmica funcionar era fundamental a existência de uma diferença de temperatura. Ele estabeleceu que:

Na conversão de calor em trabalho de modo contínuo, a máquina deve operar em ciclos entre duas fontes térmicas, uma fonte quente e uma fonte fria.

Em cada ciclo, a máquina retira uma quantidade de calor Q1 da fonte quente, que é parcialmente convertida em trabalho τ, e rejeita para a fonte fria a quantidade de calor Q2 que não foi convertida.

Esquematicamente:

Exemplo: o motor a explosão de um automóvel.

A fonte quente corresponde à câmara de combustão onde a faísca da vela inflama o vapor do combustível. Em cada ciclo, é produzida uma quantidade de calor Q1 a uma temperatura elevada (T1). Parte dessa energia se converte no trabalho τ, que é a energia útil que move o veículo. A quantidade de calor Q2, que não se converteu, é rejeitada para a fonte fria (o ar atmosférico), que se mantém numa temperatura relativamente mais baixa (T2).

Ciclo de Carnot

É um ciclo teórico constituído por duas transformações isotérmicas nas temperaturasT1 e T2, respectivamente das fontes quente e fria, alternadas com duas transformações adiabáticas.

AB: expansão isotérmica à temperatura T1 (fonte quente). Nesta transformação o gás recebe a quantidade de calor Q1

BC: é a expansão adiabática, na qual a temperatura diminui para T2

CD: compressão isotérmica à temperatura T2 (fonte fria). Nesta transformação o gás cede a quantidade de calor Q2

DA: compressão adiabática