2° Lei da termodinamica

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Aplicação da 2ª lei da termodinâmica às máquinas térmicas Básico
Publicado em 03/08/2009
Ficha de Aprendizagem
Síntese
Introdução à aplicação da 2ª lei da termodinâmica às máquinas, permitindo conhecer o modo como estas funcionam, ao nível de trocas de energia e do seu rendimento. Compreensão da exclusiva existência de máquinas térmicas que respeitem a 2ª lei da termodinâmica.Palavras-chave
* 2ª Lei da Termodinâmica
* Máquina térmica
* Máquina frigorífica
* Energia
* Calor
* Trabalho
* Rendimento
* Eficiência
Objectivos de aprendizagem
A aprendizagem neste tópico envolve os seguintes objectivos:
* Descrever o funcionamento de máquinas térmicas e de máquinas frigoríficas, com base na 2ª lei da termodinâmica;
* Caracterizar o rendimento e aeficiência de uma máquina.
Pré-requisitos
Os seguintes conhecimentos são essenciais para a compreensão deste tópico:
* 2ª lei da termodinâmica
* Sistema e equilíbrio termodinâmico
* Equivalência entre trabalho e calor
* Temperatura
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As máquinas são aparelhos que servem para transferir energia e, tanto podem receber energia sob a forma de calor para produzir trabalho, que éo caso das máquinas térmicas, como podem receber trabalho de modo a transferir energia sob a forma de calor, e nesse caso temos uma máquina frigorífica. Todas as máquinas funcionam em ciclo, isto é, uma máquina passa periodicamente pelo mesmo estado.
A 2ª lei da termodinâmica, nomeadamente os postulados de Clausius, e de Lord Kelvin estabelecem limitações, tanto na transferência de energia sob aforma de calor entre objectos, como na possibilidade de transformar energia de uma forma noutra.
Tais factos implicam que apenas possam existir máquinas, em que o seu princípio de funcionamento não viole a segunda lei da termodinâmica.
Analisemos o que acontece no caso de:
* Máquinas térmicas
* Máquinas frigoríficas

Aplicação da 2ª lei da termodinâmica às máquinas térmicas BásicoPublicado em 03/08/2009
Máquinas térmicas
Segundo o postulado de Lord Kelvin, é impossível transformar em trabalho toda a energia sob a forma de calor extraída de uma única fonte, logo, a fracção de energia sob a forma de calor que não é utilizada para realizar trabalho é transferida para outra fonte a uma temperatura inferior.
Assim, as máquinas térmicas apenas permitem obter trabalho, a partirde um fluxo de energia sob a forma de calor entre duas fontes a temperaturas diferentes. A energia sob a forma de calor flui espontaneamente da fonte quente, isto é, a fonte com maior temperatura, para a fonte fria, ou seja, a fonte com temperatura inferior.
Por exemplo, na máquina a vapor, um cilindro move-se devido à expansão do gás no seu interior, causada pela energia proveniente doaquecimento de água numa caldeira (fonte de energia sob a forma de calor - "fonte de calor"). Parte desta energia não é transformada em trabalho, e passa por condução térmica para os arredores da máquina (fonte com temperatura inferior).
O princípio de funcionamento de uma máquina térmica pode ser esquematizado pela figura 1:

Fig. 1 - Esquema de uma máquina térmica.
Deste modo, o trabalho fornecidopela máquina é igual à diferença entre as quantidades de energia sob a forma de calor trocadas:
W = |Qq| = |Qf|
Rendimento das máquinas térmicas
Um dos principais objectivos de quem constrói uma máquina térmica, é que esta tenha o maior rendimento possível. O rendimento, que normalmente se denota por η, define-se como a razão entre o trabalho que a máquina fornece, W, e a energia sob a forma decalor que sai da fonte quente, Qq, e sem o qual ela não poderia funcionar.

Como o quociente entre Qc e Qq tem um valor que pode estar entre 0 e 1, o rendimento de uma máquina térmica é sempre inferior a 1. Caso o valor de Qc fosse nulo, isto é, se a máquina não transferisse energia sob a forma de calor para a fonte fria, o rendimento seria igual a 1.
No entanto, não é possível construir...
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