Segunda Lei da Termodinâmica

Segunda Lei da Termodinâmica

UTFPR – Termodinâmica 2

  • A Segunda Lei da Termodinâmica

  • Princípios de Termodinâmica para Engenharia

  • Capítulo 5

Objetivos

  • Como os princípios de conservação de massa e energia nem sempre são suficientes para a análise sistemas vamos apresentar a Segunda Lei da Termodinâmica;

  • Também vamos apresentar alguns corolários e deduções da Segunda Lei.

Troca de calor espontânea

  • Um objeto a uma temperatura elevada Ti é colocado em contato com o ar atmosférico à To;

Processos espontâneos

Direção dos Processos

  • Nos exemplos anteriores percebe-se que lei da conservação é respeitada, porém não é possível realizar espontaneamente os processos inversos, para isso seria necessário um dispositivo auxiliar;

  • Ao utilizar da Segunda Lei da Termodinâmica é possível saber as direções preferenciais de um processo, assim como o estado final do equilíbrio de uma interação térmica.

Oportunidade para desenvolver trabalho

  • Quando existe um desequilíbrio entre dois sistemas, existe uma oportunidade de realizar trabalho quando eles caminham para o equilíbrio;

  • Este trabalho seria perdido caso fosse permitido se chegar ao equilíbrio de forma descontrolada;

Trabalho Máximo da Oportunidade

  • A segunda lei é capaz de avaliar qual é o máximo trabalho teórico que seria possível obter de sistemas em desequilíbrio;

  • E como não existe um aproveitamento perfeito, ela também torna possível a avaliação dos fatores de perda de oportunidade.

Aspectos da Segunda Lei

  • Além de prever a direção dos processo, estabelecer o equilíbrio, determinar o melhor desempenho teórico e avaliar fatores de perda;

  • A Segunda Lei também é capaz de definir uma escala de temperatura universal, avaliar propriedades em fáceis ensaios experimentais, desenvolver conceitos de economia e filosofia e ser usada em muitas outras aplicações.

Enunciado de Clausius da Segunda Lei

  • É impossível para qualquer sistema operar de maneira que o único resultado seria uma transferência de energia sob a forma de calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente.

Explicando o enunciado de Clausius

  • O enunciado de Clausius não excluí a possibilidade de troca de calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente (refrigeradores). Pois as palavras “único efeito” sugerem que isso pode ocorrer, desde que seja fornecido trabalho ao sistema.

Reservatório Térmico

  • É um sistema idealizado, onde a temperatura permanece constante mesmo que seja adicionado ou removido energia na forma de calor;

  • Exemplos: atmosfera terrestre, oceano, uma substância em mudança de fase, ...

Enunciado De Kelvin-Plank da Segunda Lei

  • É impossível para qualquer sistema operar em um ciclo termodinâmico e fornecer uma quantidade líquida de trabalho para as suas vizinhanças enquanto recebe energia por transferência de calor de um único reservatório térmico.

Explicando o enunciado de Kelvin-Plank

  • Pela Primeira Lei:

  • Pelo enunciado de Kelvin-Plank:

  • Finalmente:

Equivalência dos Enunciados

  • A equivalência é demonstrada pelo fato de que quando se viola um enunciado, conseqüentemente se viola o outro enunciado.

Identificado Irreversibilidades

  • Um processo é chamado irreversível se o sistema e todas as partes que compõem suas vizinhanças não puderem ser restabelecidos exatamente aos seus respectivos estados iniciais após o processo ter ocorrido;

  • Um processo é reversível se tanto o sistema quanto as vizinhanças puderem retornar as seus estados iniciais.

Tipos e exemplos de Irreversibilidades

  • Irreversibilidades internas são aquelas que ocorrem dentro do sistema;

  • Irreversibilidades externas são aquelas que ocorrem nas vizinhanças;

  • São exemplos de irreversibilidades:

    • Transferência de calor através de uma diferença de temperatura;
    • Expansão não resistidas;
    • Reação química espontânea;
    • Mistura espontânea;
    • Atrito;
    • Fluxo de corrente elétrica;
    • Magnetização ou polarização por histerese;
    • Deformação inelástica.

Demonstrando Irreversibilidades

  • Utilizando a seguinte metodologia:

    • Supor que há uma maneira de retornar o sistema e as vizinhanças aos seu respectivos estados iniciais;
    • Mostrar que, como conseqüência desta hipótese, seria possível imaginar um sistema que produziria trabalho enquanto nenhum outro efeito ocorreria, além de uma transferência de calor de um único reservatório térmico.

Demonstrando Irreversibilidade

Processos Reversíveis

  • São processos onde se retorna às propriedades iniciais. Porém é um conceito hipotético e utópico;

  • Exemplos de processos que podem ser aproximados à reversíveis:

Processo Internamente Reversível

  • É aquele no qual nãoirreversibilidades internas;

  • Porém irreversibilidades nas suas vizinhanças;

  • Todas as propriedades intensivas são uniformes ao longo de cada fase presente;

  • Consiste em uma série de estados de equilíbrio: é um estado de quase-equilíbrio;

  • São bem úteis na determinação do melhor desempenho de um sistema;

  • Todo processo em um reservatório térmico é um processo internamente reversível.

Interpretando o enunciado de Kelvin-Plank

  • Considere que no sistema da figura não há irreversibilidades, logo o sistema retorna ao se estado inicial;

  • Já que Wciclo=0, não haveria variação líquida na altura da massa;

  • Já que Wciclo=Qciclo, e Qciclo=0, logo não haveria variação líquida na condição do reservatório.

Conclusão do Enunciado de Kelvin-Plank

  • Para sistema sem irreversibilidades:

  • Para sistema com irreversibilidades:

Eficiência de Ciclo de Potência

  • Se não houvesse a troca de calor para o reservatório frio, a eficiência seria 100%;

  • Porém sem o reservatório frio viola-se o enunciado de Kelvin-Plank;

  • Segue daí um corolário de Carnot, que diz: todos os ciclos de potência tem eficiência menor que 100%.

Corolários de Carnot para Ciclos de Potência

  • A eficiência térmica de um ciclo de potência irreversível é sempre menor do que a eficiência térmica de um ciclo de potência reversível quando cada um opera entre os mesmos dois reservatórios térmicos;

  • Todos os ciclos de potência reversíveis operando entre os mesmos dois reservatórios térmicos possuem a mesma eficiência térmica;

Demonstrando o 1º corolário

Demonstrando o 2º corolário

Eficiência de Refrigeração/ Bomba de Calor

  • Se não houvesse o fornecimento de trabalho ao ciclo, a coeficiente de desempenho seria infinito;

  • Porém sem o fornecimento de trabalho viola-se o enunciado de Clausius;

  • Segue daí um corolário, que diz: todos os ciclos de refrigeração/ bomba de calor tem desempenho finito.

Corolários para refrigeração/ bomba de calor

  • O coeficiente de desempenho de um ciclo de refrigeração irreversível é sempre menor do que o coeficiente de desempenho de um ciclo de refrigeração reversível quando cada um opera entre os mesmos reservatórios térmicos;

  • Todos os ciclos de refrigeração reversíveis operando entre os mesmos dois reservatórios térmicos possuem o mesmo coeficiente de desempenho;

  • O mesmo vale substituindo o termo refrigeração por bomba de calor.

Definindo uma escala de temperatura

  • A partir do 2º corolário de Carnot, sabemos que a eficiência de um ciclo de potência está relacionada a natureza dos reservatórios;

  • E observado que é a diferença de temperatura entre os reservatórios que fornece o ímpeto para a transferência de calor;

  • Logo a eficiência do ciclo depende somente da temperatura dos reservatórios.

Definindo o escala Kelvin

Escala Internacional de Temperatura

  • Uma vez que não é possível reproduzir um ciclo reversível, a Escala Internacional de Temperaturas utiliza pontos fixos reproduzíveis:

Eficiência Máxima

  • Para ciclos de potência:

Coeficiente de máximo desempenho

  • Para ciclos de refrigeração:

  • Para bombas de calor:

Ciclo de Carnot

  • Sistema que executa um ciclo em uma série de quatro processos internamente reversíveis: dois processos adiabáticos alternados com dois processos isotérmicos.

Ciclo de potência

Diagrama p-v

Ciclo de Potência em Cilindro-Pistão

Ciclo de Potência de Carnot à Vapor

Ciclo de Refrigeração/ Bomba de Calor

Referências

  • MORAN, Michel J. & SHAPIRO, Howard N. Princípios de termodinâmica para engenharia. 4ª edição. LTC. 2002.

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