Segunda lei da termodinamica

Páginas: 9 (2156 palavras) Publicado: 13 de maio de 2014

Segunda lei da termodinâmica
Um dos primeiros cientistas que mais se intrigou com esta questão foi o engenheiro francês Sadi Carnot (1796 -1832). Ele supôs que uma máquina ideal não teria atrito. Ela seria uma máquina reversível. O Calor sempre passa de um objeto mais quente para um objeto mais frio. Um motor reversível é aquele em que a transferência decalor pode mudar de direção, se a temperatura de um dos objetos é mudada de por um valor infinitesimal. Quando um motor reversível faz com que calor entre em um sistema, o fluxo se dá como resultado de uma diferença infinitesimal de temperatura, ou porque foi realizado um trabalho inifinitesimal sobre o sistema. Se tal processo pudesse ser realmente realizado, ele seria caracterizado por umestado contínuo de equilíbrio e iria ocorrer a uma taxa tão lenta que necessitaria um tempo infinito. Um motor real sempre involve ao menos uma certa quantidade de irreversibilidade. Calor não irá fluir sem uma diferença finita de temperatura, e o atrito não pode ser eliminado.
Carnot mostrou que (veja o ciclo de Carnot mais abaixo), se um motor reversível ideal absorve uma quantidade de calor Q1 deum reservatório a temperatura T1 e elimina uma quantidade de calor Q2 para um reservatório a temperatura T2, então Q1 / T1 = Q2 / T2. Nesta relação T é a temperatura absoluta, medida em Kelvin e um reservatório de calor é um sistema, como um lago, que é tão grande que sua temperatura não muda quando o calor envolvido no processo considerado passa para dentro ou para fora do reservatório. Oresultado de Carnot vale para qualquer motor reversível. Qualquer motor real elimina mais energia Q2 para um reservatório a T2 que um motor reversível.
Suponha que tenhamos um reservatório de água quente. Podemos tomar uma quantidade de calor Q1 desse reservatório e convertê-lo em trabalho? Sómente se tivermos um lugar à temperatura mais baixa T2 onde possamos eliminar alguma parte do calor. Ummotor não pode realizar trabalho simplesmente removendo calor de um reservatório a uma temepratura fixa. Esta é uma maneira de se expressar a segunda lei da termodinâmica. Para converter calor em trabalho, precismos pelo menos de dois lugares com temperaturas diferentes. Se tomarmos Q1 à temperatura T1 devemos eliminar pelo menos Q2 à temperatura T2. A máxima quantidade de trabalho que podemostirar de um motor é portanto W = Q1 - Q2 = Q1 - Q1 T2 / T1 = Q1 (1 T2 / T1). W é positivo se T1 for maior do que T2.

A eficiência de um motor é a razão do trabalho obtido e a energia absorvida a temperatura mais alta. A eficiência máxima emax de tal motor é
[8.1]
A eficiência máxima de uma máquina a vapor tomando calor a 100 oC = 373 K e eliminando calor à temperaturaambiente 20 oC = 293 K é (373 - 293 ) / 373 = 0.21 = 21%.
Uma outra maneira de expressar a segunda lei é dizer que calor não pode fluir livremente de um material mais frio para um material mais quente. Se ele pudesse, então o calor eliminado à temperatura T2 poderia fluir de volta ao reservatório à temperatura T1 e o efeito final seria uma quantidade de calor DQ = Q1 - Q2 tomado à T1 econvertido em calor com nenhuma mudança no sistema.
Vamos agora supor que queiramos tirar calor de um lugar com temperatura T1 e eliminá-lo à temperatura maior T2. Suponha que você queira construir um refrigerador ou um ar condicionado. Para isso definimos um coeficiente de qualidade E como a razão da quantidade de calor removida à temperatura mais baixa dividido pelo calor colocado no sistema pelamáquina, E = Q1 / (-W) = Q1 / (Q2 - Q1).
[8.2]
se tivermos uma máquina reversível transformando o calor. Para uma máquina real Q2 é maior e o coeficiente de qualidade é menor.


Para um refrigerador que mantenha uma temperatura interna de 4oC = 277 K operando em uma cozinha com 22 oC = 299 K o melhor coeficiente de qualidade é Emax= 277 / (299 - 277) = 12.6. A melhor razão possível...
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