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Termodinâmica IV

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Tópicos: Segunda Lei da Termodinâmica | Transformações Reversíveis e Irreversíveis | Conceito de Entropia |


1) Segunda Lei da Termodinâmica

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A Primeira Lei da Termodinâmica, já vista em página anterior, impõe uma condição fundamental aos processos energéticos, isto é, não pode haver geração ou desaparecimento espontâneo de energia. A Segunda Lei adiciona outras restrições, quanto ao comportamento e ao modo de utilização das transformações energéticas.

Seja o exemplo clássico da Figura 1-I. Em (a) existem dois corpos isolados: corpo quente, com temperatura TA e corpo frio, com temperatura TB < TA. Se os dois corpos são colocados em contato entre si num sistema isolado como em (b) da figura, a experiência mostra que o calor passa do corpo quente para o corpo frio até que as temperaturas de ambos se estabilizem num valor de equilíbrio TE, como em (c) da figura, com TB < TE < TA.

Ilustração para segunda lei da Termodinâmica
Fig 1-I

Se o processo fosse inverso, isto é, se o calor passasse do corpo frio para o quente (aumentando a temperatura do quente e diminuindo a do frio), não haveria nenhuma violação da Primeira Lei (a mesma quantidade de calor retirada de um é adicionada ao outro). Mas isso nunca acontece. Assim, um dos enunciados da Segunda Lei é:

Espontaneamente, o calor só pode passar de um corpo de temperatura mais alta para outro de temperatura mais baixa.

Outro exemplo comum da Segunda Lei é dado pela eficiência de uma máquina térmica. Uma máquina ideal (M) funcionaria como em (a) da Figura 1-II. Todo o calor Q1 de uma fonte quente (exemplo: a combustão de uma substância) seria transformado em trabalho W. Assim, W = Q1 e haveria eficiência η = 1 ou 100 %. Mas isso nunca ocorre.

Máquina térmica e fontes quente e fria
Fig 1-II

Uma máquina real opera como em (b) da mesma figura. Há sempre uma parcela de calor Q2 que é trocada com uma fonte fria (o próprio ambiente na maioria dos casos). E o enunciado a seguir é outra forma da Segunda Lei:

É impossível converter todo o calor de uma fonte em trabalho. Sempre haverá uma parcela trocada com o ambiente.

Outros enunciados podem ser vistos. Por exemplo, a impossibilidade do moto-perpétuo de segunda espécie (uma máquina que aproveitaria o calor do próprio ambiente).


2) Transformações Reversíveis e Irreversíveis

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Transformações termodinâmicas são processos que produzem alterações em variáveis que definem o estado termodinâmico de um corpo ou sistema. A reversibilidade ou não de uma transformação é uma propriedade importante, que tem relação com a Segunda Lei. Como exemplo de transformação reversível, pode-se citar o escoamento de um gás ideal em uma tubulação com um estrangulamento, conforme Figura 2-I.

Escoamento ideal
Fig 2-I

Desde que a condição é supostamente ideal, não há atritos nem trocas de calor através da parede do tubo. Devido à redução de seção, o estado termodinâmico (ex: pressão, velocidade) do gás em 2 é diferente do estado em 1. Passado o estrangulamento, como no ponto 3 da figura, o estado termodinâmico é o mesmo de 1, caracterizando a reversibilidade do processo.

Na Figura 2-II, ocorre a troca de calor entre dois corpos com temperaturas diferentes TA > TB, já vista no tópico anterior. Em (b) da figura os corpos são postos em contato mútuo dentro de um sistema isolado.

Exemplo de transformação irreversível
Fig 2-II

Depois de algum tempo, a troca de calor termina e os corpos atingem uma temperatura comum de equilíbrio TE (TA > TE > TB), conforme indicado em (c) da figura. Entretanto, conforme (d) da figura, se os corpos são afastados e fisicamente dispostos na mesma situação inicial (a), as suas temperaturas não retornam espontaneamente aos valores anteriores. Há, portanto, uma transformação irreversível.

Processos práticos não são ideais e, portanto, sempre têm algum grau de irreversibilidade. Em geral, ela é atribuída a: forças de atrito (sólidos e fluidos), transferência de calor com diferença finita de temperatura, expansão ou compressão rápida de um fluido, expansão livre de um fluido, mistura espontânea de gases diferentes.


3) Conceito de Entropia

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Usando esse conceito, a Segunda Lei é escrita:

A variação da entropia de um sistema fechado não pode ser negativa. Se a transformação é reversível, a variação da entropia dos corpos envolvidos é nula. Se a transformação é irreversível, essa variação é positiva.

Portanto, simbolizando a entropia por S, para um sistema fechado,

$$\Delta S \ge 0 \tag{3A}$$
Para um processo reversível, considerando Q calor e T temperatura absoluta, a entropia é dada por:

$$dS = {\delta Q \over T} \tag{3B}$$
E a variação de entropia é:

$$\Delta S = S_2 - S_1 = \int_1^2 {\delta Q \over T} \tag{3C}$$
Mais informações sobre entropia (processos irreversíveis) podem ser vistas nas páginas de ciclos termodinâmicos.

Significado físico da entropia
Fig 3-I

Significado físico da entropia e outros comentários: o estudo da entropia é algo mais amplo que as definições básicas aqui apresentadas. Umas das interpretações físicas comuns da entropia é como uma medida da desordem de um sistema, ou seja, um sistema mais desordenado tem uma entropia maior. Em (a) da Figura 3-I, um espaço com um gás tem as moléculas dispostas com alguma ordenação. Se isso ocorreu em um determinado momento, o mais provável é que, em tempos futuros, a disposição seja mais desordenada, como em (b) da figura. Isso significa, portanto, que os processos naturais em sistemas fechados tendem para uma entropia maior.
Referências
Bouché, Ch. Leitner, A. Sans, F. Dubbel - Manual da Construção de Máquinas. São Paulo: Hemus, 1979.
Cengel, Y. A. Michael A. B. Thermodynamics: An Engineering Approach. New York: McGraw-Hill, 2006.
Giek, Kurt. Manual de Fórmulas Técnicas. São Paulo: Hemus.
Kaviany, Massoud. Principles of Heat Transfer. USA: Wiley.
Rohsenow, W. M. Hartnett, J. R. Cho, Y. I. Handbook of Heat Transfer. McGraw-Hill, 1998.

Topo | Rev: Set/2018