2ª Lei da Termodinâmica

2ª Lei da Termodinâmica

1. Refrigeradores e Bombas de calor

   • A transferência de calor de um meio a baixa temperatura para um meio a alta temperatura exige dispositivos especiais chamados de REFRIGERADORES.
   • A eficiência de um refrigerador e de uma bomba de calor são expressos em termos de coeficiente de desempenho (COP).
     • COPr (Refrigeração) COPr=QL/(QH-QL) COPbc (Bomba de calor) COPbc=QH/(QH-QL)
   • A BOMBA DE CALOR é um dispositivo semelhante ao refrigerador, mas sua finalidade é transferir calor de um ambiente frio para um ambiente quente, o que é considerado contraintuitivo.
   • Comunicação térmica com dois reservatórios; Remove energia QL do reservatório frio ou fornece energia QH para o reservatório quente.

2. Processos Reversíveis e Irreversíveis

   • PROCESSO IRREVERSÍVEL: O sistema e a vizinhança não podem voltar aos estados iniciais após o processo, ou seja, um processo irreversível é aquele que ocorre apenas em uma direção. Sendo eles comuns na natureza e na indústria.
     • Irreversibilidades: fatores que tornam um processo irreversível. Ex: atrito em corpos em movimento, expansão desenfreada de um gás separado do vácuo por uma membrana e transferência de calor através de uma diferença finita de temperatura.
   • PROCESSO INTERNAMENTE IRREVERSÍVEL: Há irreversibilidade dentro do sistema.
   • PROCESSO REVERSÍVEL: Um processo reversível é aquele que pode ser executado em sentido inverso sem causar alterações permanentes no sistema ou em seu ambiente. Isso significa que o sistema pode ser trazido de volta ao seu estado inicial sem deixar vestígios do processo anterior.
     • Processos reversíveis não ocorrem na natureza, desse modo são considerados ideais.

3. Escala de temperatura Kelvin

   • A escala de temperatura Kelvin é uma escala absoluta de temperatura que se baseia na segunda lei da termodinâmica. Ela é definida em relação à temperatura termodinâmica, que é proporcional à energia cinética média das partículas de um sistema. A escala Kelvin é utilizada para medir temperaturas extremamente baixas ou altas.
   • A temperatura Kelvin é uma escala de temperatura absoluta porque ela não depende de nenhuma substância particular ou propriedade física para sua definição. A escala é baseada apenas em um conceito fundamental da termodinâmica, que é a entropia.
     • A entropia é uma propriedade termodinâmica que está relacionada ao grau de dissipação de energia em um sistema. A entropia é usada para definir a temperatura termodinâmica e, portanto, a escala Kelvin.

4. Conceitos importantes

   • TIPOS DE PROCESSOS
     • Processo Isotérmico
       • Temperatura = Constante ∆U = 0 -> Q = W
     • Processo Isobárico
       • Pressão = Constante ∆U = Q - P∆V
     • Processo Isocórico
       • Volume = Constante ∆U = Q
     • Processo Adiabático
       • Não há trocas de calor ∆Q = 0 -> ∆U = -W
   • CONVENÇÃO DE SINAIS
     • +Q: Calor do ambiente para o sistema.
     • -Q: Calor do sistema para o ambiente.
     • +W: Trabalho realizado no sistema pela vizinhança.
     • -W: Trabalho feito na vizinhança pelo sistema.

5. Enunciados

   • KELVIN-PLANCK
     • O Enunciado afirma que, é impossível construir uma máquina térmica que opere em um ciclo termodinâmico e que retire energia apenas de uma fonte de calor para converter em trabalho mecânico. Isso significa que uma máquina térmica precisa operar em um ciclo e extrair energia de, pelo menos, duas fontes de calor em diferentes temperaturas para produzir trabalho útil.
       • Além disso, o enunciado de Kelvin-Planck também pode ser expresso como nenhuma máquina térmica pode ter uma eficiência de 100%.
   • CLAUSIUS
     • O Enunciado afirma que, é impossível que um ciclo termodinâmico opere sem que haja uma transferência de calor de um corpo frio para um corpo quente. Isso significa que não é possível construir uma máquina térmica que realize trabalho apenas retirando calor de um corpo quente e rejeitando esse calor para um corpo frio. Para que a máquina térmica realize trabalho, é necessário que haja uma transferência de calor entre dois corpos com diferentes temperaturas.
   • Equivalência dos enunciados
     • Todos dispositivo que violar o enunciado de Kelvin-Planck também violará o enunciado de Clausius, e vice-versa. Na qual, ambos são expressões equivalentes da 2ª Lei.

6. Aspectos e importância

   • Determinar o melhor desempenho na teoria, dos equipamentos de conversão de energia (ciclos, motores e outros dispositivos);
   • Analisar quantitativamente os fatores que impedem o alcance do melhor desempenho teórico;
   • Definir uma escala de temperatura independente das propriedades de qualquer substância termométrica;
   • Desenvolver meios para avaliar propriedades, como energia e entalpia, em termos de propriedades mais fáceis de obter experimentalmente.
   • Estabelecer o estado final de equilíbrios;
   • Prever o sentido dos processos;

7. Aplicação da 2ª Lei a ciclos termodinâmicos

   • A Segunda Lei da Termodinâmica é aplicada a ciclos termodinâmicos para determinar o rendimento máximo que pode ser obtido a partir de um processo termodinâmico.
     • Onde, um ciclo termodinâmico é uma sequência de processos termodinâmicos que retorna a um estado inicial após completar uma série de transformações.
     • O ciclo de Carnot é um ciclo termodinâmico teórico que opera entre duas fontes de calor a temperaturas diferentes.
       • O rendimento máximo que pode ser obtido a partir de um ciclo termodinâmico é determinado pelo fator de eficiência de Carnot.
       • O rendimento máximo que pode ser obtido a partir de um ciclo termodinâmico é igual à diferença de temperatura entre as duas fontes de calor dividida pela temperatura mais alta.
       • Na prática, a eficiência de Carnot é um limite teórico que é difícil de ser alcançado em sistemas reais devido às perdas de energia e irreversibilidades que ocorrem durante o processo
     • Além disso, a aplicação da Segunda Lei da Termodinâmica a ciclos termodinâmicos é essencial para o desenvolvimento de sistemas mais eficientes e sustentáveis que podem reduzir o consumo de energia e minimizar o impacto ambiental.