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.
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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.
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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:
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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.
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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.
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.
Santana, Guilherme. Segunda Lei da Termodinâmica. Todo Estudo. Disponível em: https://www.todoestudo.com.br/fisica/segunda-lei-da-termodinamica. Acesso em: 23 de April de 2024.
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)