Segunda Lei da Termodinâmica

Uma máquina térmica não consegue realizar 100% de trabalho com as trocas de calor. Isto se deve a 2° Lei da Termodinâmica.

Corpos que estão em uma certa diferença de temperatura tendem a trocar calor entre si até atingirem o equilíbrio térmico. Agora, será possível um corpo de temperatura de 20°C transferir calor para um corpo com 200°C? Aqui, estudaremos a Segunda Lei da Termodinâmica que nos diz que o exemplo anterior é impossível de se acontecer.

O que é a Segunda Lei da Termodinâmica?

A segunda lei da termodinâmica foi apresentada a partir dos estudos sobre máquinas térmicas feitos pelo físico e engenheiro Sadi Carnot (1796-1832). Entretanto, Carnot não conseguiu ir muito além em suas pesquisas por falta de conhecimento sobre alguns conceitos da época.

Um tempo depois, Rudolph Clausius retomou os trabalhos de Carnot. Como resultado, elaborou a Segunda Lei da Termodinâmica. Além disso, esta lei pode ser também aplicada às máquinas térmicas, tratado proposto por Kelvin-Planck.

Enunciado de Clausius

O enunciado de Clausius para a Segunda Lei da Termodinâmica relaciona-se com a espontaneidade do fluxo de calor entre corpos. Assim, podemos expressar essa lei da seguinte forma:

O calor flui espontaneamente da fonte quente para a fonte fria; para ocorrer o contrário, é necessário realizar trabalho externo.

Enunciado de Kelvin-Planck

Este enunciado está relacionado com as máquinas térmicas e a conversão de calor em trabalho. Ele implica que nenhuma máquina consegue converter 100% de calor em trabalho. Em outras palavras:

É impossível a construção de uma máquina que, operando em um ciclo termodinâmico, converta toda a quantidade de calor recebido em trabalho.

Máquinas térmicas

Máquinas térmicas são aplicações direta da Segunda Lei da Termodinâmica em nosso dia a dia. Para facilitar o entendimento, imagine dois reservatórios onde um possui uma alta temperatura e o outro, baixa. Como sabemos, uma máquina térmica não converte integralmente o calor em trabalho. Logo, esta parte de calor não convertida em trabalho vai para o reservatório frio.

Um exemplo seria a “maria-fumaça”, uma antiga locomotiva a vapor. Ela converte o calor do vapor de água (fonte quente) em trabalho e o calor não utilizado é lançado para a atmosfera (fonte fria).

Entropia e a 2ª Lei da Termodinâmica

Rudolph Clausius, em seus estudos, descobriu que a razão entre o calor trocado pelo sistema e sua temperatura absoluta não se alterava em processos reversíveis, porém esta razão sempre aumentava em processos irreversíveis. A isso ele deu o nome de entropia, isto é, a medida de quanto o sistema se desorganiza ao final do processo.

Em outras palavras, a entropia é a medida de uma parte da energia térmica que não é transformada em trabalho, sendo desperdiçada em forma de calor, sendo este calor uma energia desorganizada.

Podemos representar a entropia da seguinte forma matemática:

Conforme a fórmula acima, temos que ∆S é a variação da entropia, Q (Joule) é a quantidade de calor trocado pelo sistema e T (Kelvin) a temperatura absoluta do sistema.

Vídeos sobre a Segunda Lei da Termodinâmica

Sempre fica alguma dúvida para trás quando estamos estudando algo. Assim, apresentaremos a seguir algumas vídeo-aulas para que você possa fixar melhor o conteúdo visto até aqui!

A Segunda Lei da Termodinâmica e a Entropia

Neste vídeo é apresentado um pouco mais sobre a Segunda Lei da Termodinâmica e seus enunciados, além de uma explicação sobre a entropia!

Máquinas térmicas

Para que nenhuma dúvida fique para trás sobre máquinas térmicas, sugerimos esta vídeo aula super intuitiva para que você possa dominar o conteúdo!

Exercício resolvido

Deseja se dar bem nas provas sobre esse conteúdo, certo? Este aqui não deixa pontas soltas e trás aquele exercício resolvido para que possa acompanhar o processo de resolução da questão!

Desta forma, podemos entender como um motor e muitas outras máquinas funcionam. Por fim, leia mais sobre os conceitos da termodinâmica e bons estudos!

Referências

As faces da física – Wilson Carron e Osvaldo Guimarães;
Física para o ensino médio, volume 2 – Kazuhito Yamamoto e Luiz Felipe Fuke.

Guilherme Santana da Silva
Por Guilherme Santana da Silva

Graduado no curso de Física pela Universidade Estadual de Maringá. Professor assistente em um colégio de ensino médio e preparatório para os vestibulares. Nas horas vagas se dedica à vida religiosa, praticar mountain bike, tocar bateria, dar atenção à família e cuidar de suas duas gatinhas Penélope e Mel.

Exercícios resolvidos

1.

Certa máquina térmica que opera em ciclos recebe, em cada ciclo, 250 cal da fonte quente e realiza um trabalho igual a 1045 J. Sabendo disso, marque a alternativa correta:

DADOS: 1cal = 4,18 J

a)O gás no interior dessa máquina térmica sofre em cada ciclo uma transformação do tipo isocórica, o que explica a transformação integral de energia em trabalho.
b)A máquina funciona segundo o princípio de Carnot, logo, seu rendimento é 100%.
c)A máquina não contraria a primeira lei da Termodinâmica (conservação da energia), pois está transformando integralmente a energia recebida em trabalho, mas contraria a segunda lei da Termodinâmica, pois possui rendimento de 100%.
d)A máquina contraria a primeira lei da Termodinâmica (conservação da energia), pois está transformando integralmente a energia recebida em trabalho, mas não contraria a segunda lei da Termodinâmica, pois possui rendimento de 100%
e)A máquina contraria as duas leis da Termodinâmica, pois transforma integralmente a energia recebida em trabalho.

Se convertermos a energia recebida pela máquina a cada ciclo para a unidade joule, perceberemos que toda a energia fornecida à máquina foi transformada em trabalho:

250 cal x 4,18 = 1045 J

Logo, podemos concluir que essa máquina não contraria a primeira lei da Termodinâmica, que trata da conservação da energia e que prevê, em uma transformação isotérmica, a transformação integral de calor em trabalho. Todavia, essa máquina contraria a segunda lei da Termodinâmica, que nos diz que nenhuma máquina térmica operando em ciclos pode transformar integralmente a energia recebida em trabalho.

RESPOSTA: c)

2.

Determine o calor recebido da fonte quente e perdido para a fonte fria por um motor a diesel que possui rendimento de 40% e realiza a cada ciclo um trabalho de 2000 J. Expresse as respostas em calorias.

DADOS: 1 cal = 4 J

a) 1300 cal e 550 cal
b) 1250 cal e 1000 cal
c) 750 cal e 200 cal
d) 1250 cal e 750 cal
e) 3000 cal e 5000 cal

A definição de rendimento (R) diz que essa grandeza é fruto da razão entre a energia utilizada e a energia total disponível. Sendo assim, temos que o rendimento do motor a diesel é a razão do trabalho (τ) executado em cada ciclo pela quantidade total de energia fornecida pela fonte quente (Q1):

R = τ ÷ Q1

Sabendo que R = 0,4 e que τ = 2000 J, temos:

0,4 = 2000 ÷ Q1

Q1 = 2000 ÷ 0,4

Q1 = 5000 J

Como cada caloria equivale a 4J, basta dividir o valor final por 4 para obter a resposta em calorias.

Q1 = 5000 ÷ 4 = 1250 cal.

O calor fornecido pela fonte quente (Q1) é igual à soma do trabalho (τ) realizado pela máquina com o calor perdido para a fonte fria (Q2):

Q1 = τ + Q2

5000 J = 2000 J + Q2

Q2 = 5000 – 2000 = 3000 J

Q2 = 3000 ÷ 4 = 750 cal.

RESPOSTA: d)

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