Notas de Aula / Fenômenos de Transportes / Parte2 : Termodinâmica Prof. Jorge M. Moraes 26
Cap.6 Van Wylen (4a.Ed.) : 6. Segunda Lei da Termodinâmica
A primeira lei da Termodinâmica não impõe nenhuma restrição quanto a direção do fluxo de calor ou trabalho.
O principal significado da 2a lei da termodinâmica é que ela estabelece a direção na qual ocorre um determinado processo. Além disso, define o motor térmico, o refrigerador e a temperatura termodinâmica. **exemplos: a) uma xícara de café quente esfria em virtude da troca de calor com o meio ambiente, mas o meio não pode ceder calor para a xícara. b) um carro consome gasolina subindo uma colina, mas na descida o nível não volta ao inicial
6.1. Motores térmicos e Refrigeradores
Reservatório Térmico ( ou Fonte de Calor) - Chamamos de reservatório térmico qualquer sistema que possa fornecer ou receber calor sem alterar sua temperatura. ( exemplos; oceano, atmosfera, combustíveis etc.)
Seja o sistema constituído pelo gás, e façamos que este sistema percorra um ciclo no qual primeiramente realiza-se trabalho sobre o mesmo através das pás do agitador, mediante o abaixamento do peso e completemos o ciclo transferindo calor para o meio ambiente.
Da experiência sabemos que não podemos inverter o ciclo. Isto é, fornecer calor ao gás e fazer com que ele levante o peso. Isto não contraria o primeiro princípio embora não seja possível.
Notas de Aula / Fenômenos de Transportes / Parte2 : Termodinâmica Prof. Jorge M. Moraes 27
Outro exemplo de ciclo impossível de ser realizado:
O processo espontâneo é no sentido Telev Æ T baixa Portanto é impossível completar o ciclo apenas com a troca de calor. Um refrigerador ou bomba de calor podem operar segundo um ciclo que recebe calor de um corpo a baixa temperatura e cede calor à baixa temperatura, mas é necessário trabalho para realiza-lo.
Máquina térmica : Dispositivo que operando segundo um ciclo termodinâmico, realiza trabalho líquido positivo a custa da transferência de calor de um corpo à temperatura elevada e para um corpo de temperatura baixa.
Ciclo de Rankine.
O trabalho útil de uma máquina térmica pode ser obtido aplicando-se a primeira lei da termodinâmica sobre todo o sistema como indicado na figura, ou seja
•••−=
Q WHL util onde, trabalho útil (Wutil• &), é a diferença;
•••=−&
W Wutil T B Rendimento Térmico ou eficiência Térmica :
Sistema à temperatura elevada
Sistema à temperatura baixa Q Q impossível
Notas de Aula / Fenômenos de Transportes / Parte2 : Termodinâmica Prof. Jorge M. Moraes 28 ηT utilH
Energia Gasta WQ == &
O rendimento térmico expressa o aproveitamento da máquina térmica ao transformar a energia térmica para energia mecânica no eixo da turbina.
Na análise genérica dos motores térmicos faz-se uso do esquema mostrado na figura abaixo. O esquema é específico para o sistema operando segundo o ciclo de Rankine.
Refrigerador ou Bomba de Calor : Dispositivo que opera segundo um ciclo e que necessita de trabalho para que obtenha a transferência de calor de um corpo a baixa temperatura para outro a alta temperatura.
QQWLHC+−=−() ou WQQCHL=−
Aplicando-se a primeira lei da termodinâmica para o sistema, temos;
Para um refrigerador ou bomba de calor não se define o parâmetro rendimento mas um outro equivalente chamado de Coeficiente de eficácia, β, Coeficiente de desempenho, ou Coeficiente de Performance, COP, como segue β= =COP Energia util
Energia gasta &
Notas de Aula / Fenômenos de Transportes / Parte2 : Termodinâmica Prof. Jorge M. Moraes 29
() Reβ= = = −COP QW Q QQfrigerador e para a bomba de calor, resulta
()β= = = −COP QW Q QQBombadeCalor
Enunciado de Kelvin e Planck ( refere-se ao motor térmico) " É impossível construir um dispositivo que opere num ciclo termodinâmico e que não produza outros efeitos alem do levantamento de um peso e troca de calor com um único reservatório"
Este enunciado referente à máquina térmica nos diz que é impossível uma máquina térmica com rendimento de 100 %, pois pela definição de rendimento térmico o rendimento seria 100% se QL = 0, (apenas uma fonte de calor ) ou se QH fosse infinito (o que não é possível !). Assim, uma máquina térmica tem que operar entre dois reservatórios térmicos —> recebendo calor, rejeitando uma parte do calor e realizando trabalho.
Enunciado de Clausius ( refere-se ao refrigerador ) " É impossível construir um dispositivo que opere em um ciclo termodinâmico e que não produza outros efeitos além da transferência de calor de um corpo frio para um corpo quente "
Este enunciado está relacionado ao refrigerador ou bomba de calor e estabelece ser impossível construir um refrigerador que opere sem receber energia (trabalho). Isto indica ser impossível um, coeficiente de eficácia ( COP) infinito.
Observações Relativas à Segunda Lei da Termodinâmica a) Os dois enunciados são negativos - Assim não é possível uma demonstração.
Estes enunciados são baseados na observação experimental e no fato de não terem sido refutados até os dias de hoje.
b) Os dois enunciados são equivalentes c) A terceira observação é que a segunda lei da termodinâmica tem sido enunciada como a impossibilidade de construção de um "Moto-Perpétuo de Segunda Espécie "
Moto perpétuo de 1a espécie - Produziria trabalho do nada ou criaria massa e energia - violaria a 1a lei da termodinâmica.
Notas de Aula / Fenômenos de Transportes / Parte2 : Termodinâmica Prof. Jorge M. Moraes 30
Moto perpétuo de 2a espécie - Violaria a segunda lei da termodinâmica ( rendimento 100% ou COP = ∞ )
Moto perpétuo de 3a espécie - Motor sem atrito, conseqüentemente se moveria indefinidamente mas não produziria trabalho
1. Predizer a direção dos processos 2. Estabelecer condições de equilíbrio 3. Determinar qual o melhor desempenho teórico dos ciclos, motores e outros dispositivos 4. Avaliar quantitativamente os fatores que impedem que esse melhor desempenho seja atingido
5. Na definição de uma escala de temperatura que é independente das propriedades de qualquer substância 6. No desenvolvimento de meios para avaliar as propriedades, como u e h em termos de outras propriedades que são mais facilmente obtidas experimentalmente.
6.3. Processo reversível
Sendo impossível um motor térmico com rendimento 100% qual o máximo rendimento possível ?
Surge da definição de um processo ideal para averiguar qual o máximo rendimento possível de um motor térmico.
Def.: um processo reversível para um sistema é definido como aquele que tendo ocorrido, ode ser invertido sem deixar vestígios no sistema e no meio