Para melhor caracterizar a irreversibilidade dos processos naturais, que ocorrem num sentido preferencial, o físico alemão Rudolf Clausius (Fig. 2.23) criou a grandeza entropia, propositadamente com nome seme- lhante ao da energia.
Clausius verificou que, embora a quantidade total de energia se conser- vasse nos processos naturais, a tendência era que se transformasse de uma
forma ordenada (energia elétrica, energia mecânica, energia química etc.)
para uma forma desordenada: a energia térmica caracterizada pela agitação molecular. Ele fez analogias práticas, mostrando que o sentido de ocorrên- cia dos fenômenos é sempre o de um aumento na desordem do sistema. Se colocarmos 100 bolinhas brancas na parte de baixo de um recipiente e 100 bolinhas pretas na parte de cima, ao agitarmos o recipiente, as bolinhas se misturam. Por maior que seja o número de vezes que agitemos o sistema, dificilmente obteremos a ordem inicial. Outra analogia: se colocarmos uma gota de tinta na água, ela se espalha espontaneamente e provavelmente não mais irá refazer-se a gota inicial. Daí:
Os fenômenos naturais tendem para um estado de desordem maior.
Ordem e desordem são conceitos estatísticos. Associado a eles, Clau- sius criou o conceito físico-matemático de entropia. Os sistemas têm, então, uma propriedade intrínseca, a entropia, que se caracteriza por ter um valor que aumenta quando aumenta a desordem nos processos naturais. Em resumo:
A entropia do Universo, considerado como um sistema isolado, au-
menta à medida que ele evolui. Figura 2.23 Retrato de Rudolf Clausius (1822-1888). iMA ge bR ok eR / iM A g e P Lu s
Repr
odução pr
oibida. Art.184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fever
eir
o de 1998.
A evolução do Universo, portanto, nos leva a um aumento irremediá vel da entropia. Ora, como vimos, isso significa que, à medida que o tempo passa, diminui a possibilidade de se obter energia útil ou trabalho de um sistema. Portanto, embora a quantidade de energia total se conserve, haverá um ins- tante em que não será possível mais a obtenção de energia útil, pois a energia estará toda na forma de calor e não haverá diferença de temperatura que permita a transformação em outra forma de energia. Esse equilíbrio térmico corresponderá à situação de entropia máxima, significando a morte térmica
do Universo, quando a energia existente será completamente inutilizável.
Há cientistas que contestam essa previsão, argumentando que o Universo pode não ser um sistema isolado, condição indispensável para que valham os conceitos da Termodinâmica. Portanto, há muitos aspectos misteriosos e controversos a respeito de nosso Universo, tornando essa discussão apenas especulação filosófica.
Define-se a entropia S envolvida num processo qualquer pela relação entre a quantidade de calor Q trocada no processo e a temperatura absoluta
T em que esse processo ocorre:
S 5 Q __ T
Vejamos um exemplo numérico, para melhor compreensão do que é entropia.
Admitamos que, em uma máquina térmica, a fonte quente esteja à temperatura de 400 K e, em cada ciclo do fluido de trabalho, forneça 600 J de calor. Seja 500 J a quantidade de calor rejeitada para a fonte fria, que está à temperatura de 200 K. Qual a variação de entropia que acontece em cada ciclo dessa máquina térmica?
Na transferência de calor pela fonte quente, a entropia vale:
S1 5
Q1
___ T
1 5 600 ____ 400 V S1 5 1,5 J/K
No recebimento de calor pela fonte fria, a entropia envolvida vale:
S2 5 ___ QT2
2 5 500 ____ 200 V S2 5 2,5 J/K
A variação de entropia será dada por: DS 5 S2 2 S1 5 2,5 2 1,5
DS 5 1,0 J/K
A variação positiva da entropia mostra que, no funcionamento dessa máquina, ocorre aumento da entropia. Em uma máquina de Carnot, por exemplo, a variação de entropia seria nula, o que indicaria um processo reversível; mas, como vimos, uma máquina desse tipo é ideal.
69. Uma máquina térmica opera entre uma fonte quente a 400 K e uma fonte fria a 200 K. Em cada ciclo, o fluido de trabalho recebe 600 J de calor da fonte quente. O calor rejeitado à fonte fria é de 500 J por ciclo. Qual a variação de entropia em cada ciclo dessa máquina térmica?
70. Uma máquina térmica funciona entre as tempera-
turas de 27 °C e 127 °C. Em cada ciclo do gás ideal dessa máquina, a fonte térmica fornece 250 J de
EXERCÍCIOS
Resolva em seu caderno Exercício fundamental Exercício de fixaçãocalor, obtendo-se 50 J de trabalho mecânico. De- termine a variação de entropia que ocorre em cada ciclo, durante o funcionamento dessa máquina.
71. O ciclo de Carnot se caracteriza por ser isoentrópico,
isto é, ele se realiza sem que a entropia se modi- fique. Com base nessa informação, demonstre que, numa máquina de Carnot, as quantidades de calor trocadas com as fontes térmicas são proporcionais às respectivas temperaturas absolutas das fontes.
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o de 1998.
75. (UFPA) A segunda lei da Termodinâmica pode ser encarada como um princípio da degradação da energia porque:
a) o calor não pode passar espontaneamente de um
corpo para outro de temperatura mais baixa que o primeiro.
b) para produzir trabalho, continuamente, uma má-
quina térmica, operando em ciclos, deve necessa- riamente receber calor de uma fonte fria e ceder parte dele a uma fonte quente.
c) é possível construir uma máquina, operando em
ciclos, cujo único efeito seja retirar calor de uma fonte e convertê-lo em uma quantidade equivalente de trabalho.
d) é impossível se converter totalmente calor em outra
forma de energia.
e) a Termodinâmica independe de qualquer teoria
atômico-molecular.
76. (UFBA) Com base nos conhecimentos sobre Termo- dinâmica, é correto afirmar:
(01) Quando um gás ideal é comprimido rapidamente, a energia interna do gás aumenta.
(02) O ciclo de Carnot é composto por transformações isomé tri cas e isobáricas.
(04) O rendimento de uma máquina térmica depende exclusivamente da temperatura da fonte quente. (08) No refrigerador, o gás refrigerante remove calor
da fonte fria, vaporizando-se, e transfere calor à fonte quente, condensando-se.
(16) Admitindo-se o Universo como um sistema físico isolado, a entropia do Universo sempre aumenta. Dê como resposta a soma dos números que antecedem as afirmativas corretas.
77. (UEPG-PR) Identifique os itens corretos.
(01) Nos processos isobáricos, a pressão é constante. (02) O motor opera convertendo todo o calor em tra-
balho.
(04) Nos processos adiabáticos, a temperatura do sistema permanece constante.
(08) Uma das partes do ciclo de Carnot envolve uma compressão adiabática.
(16) Um motor que opera utilizando o ciclo de Carnot entre as temperaturas absolutas T1 e T2 tem efi-
ciência igual a __ T2
T1 .
Dê como resposta a soma dos números que antecedem as afirmativas corretas.
8
Motores de combustão
Imagine um mundo no qual todos devessem andar a pé ou a cavalo, no qual as mercadorias tivessem que ser transportadas em carroças ou em navios a vela. Hoje em dia, isso tornaria nossa vida muito mais difícil. Vivemos em uma sociedade que depende dos transportes aéreo, marítimo e terrestre para o deslocamento de pessoas, alimentos, máquinas e produtos comerciais.
72. (UFV-MG) As afirmativas abaixo se referem às leis da Termodinâmica. Qual delas é falsa?
a) É impossível uma máquina térmica, operando em
ciclos, retirar calor de uma fonte quente e convertê- -lo totalmente em trabalho.
b) A segunda lei da Termodinâmica não se aplica aos
refrigeradores, porque estes transferem calor da fonte fria para a fonte quente.
c) O ciclo idealizado por Sadi Carnot proporciona o ren-
dimento máximo de uma máquina térmica que opera entre duas temperaturas.
d) O rendimento das máquinas térmicas é definido
como a razão entre o trabalho realizado pela má- quina e a energia total fornecida a ela.
e) Nos fenômenos naturais há uma evolução para o
estado de maior desordem, pois eles sempre levam a um aumento da entropia do universo.
73. (UFV-MG) De acordo com a segunda lei da Termodi-
nâmica, a entropia do Universo:
a) não pode ser criada nem destruída. b) acabará transformada em energia. c) tende a aumentar com o tempo. d) tende a diminuir com o tempo. e) permanece sempre constante.
74. (Unicamp-SP) Com a instalação do gasoduto Brasil- -Bolívia, a cota de participação do gás natural na geração de energia elétrica no Brasil será signifi- cativamente ampliada. Ao se queimar 1,0 kg de gás natural, obtém-se 5,0 ? 107 J de calor, parte do qual pode ser convertido em trabalho em uma usina termoelétrica. Considere uma usina queiman- do 7.200 quilogramas de gás natural por hora, a uma temperatura de 1.227 ºC. O calor não apro- veitado na produção de trabalho é cedido para um rio de vazão 5.000 litros/s, cujas águas estão a 27 ºC. A maior eficiência teórica da conversão de calor em trabalho é dada por 5 1 2 ____ Tmín
Tmáx ,
sendo Tmín e Tmáx as temperaturas absolutas das
fontes fria e quente, respectivamente, ambas expressas em kelvin. Considere o calor específico da água c 5 4.000 J/(kg ? ºC).
a) Determine a potência gerada por uma usina cuja
eficiência é metade da máxima teórica.
b) Determine o aumento de temperatura da água do
Biela Virabrequim Cárter (depósito de óleo do motor) O eixo transmite o movimento mediante as polias e as correias Válvula Comando de válvulas Comando de válvulas Repr odução pr
oibida. Art.184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fever
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o de 1998.
Caminhões, ônibus e carros desempenham um papel central quando o assunto é transporte terrestre no Brasil. Eles funcionam com motores de
combustão e, apesar de estarem se tornando cada vez mais complexos, seu
projeto básico é o mesmo desde sua invenção, há mais de um século. Um motor de combustão utiliza energia térmica sob a forma de calor, obtido da queima do combustível, para transformá-lo em trabalho mecânico, necessário para movimentar o veículo. Nessa seção vamos conhecer melhor esse tipo de motor e aplicar a teoria estudada até aqui para melhor entender seu funcionamento.
A transformação de calor em trabalho em qualquer ciclo motor é realizada praticamente da mesma maneira: o fluido de trabalho (um gás ou um vapor), contido em um recipiente cilíndrico (cilindro) ao se expandir empurra um êmbolo (o pistão); o pistão, ligado ao virabrequim por uma biela, converte seu movimento linear de vaivém em movimento rotativo de um eixo. (Fig. 2.24)
As antigas locomotivas a vapor eram movimentadas por meio de um
ciclo motor de combustão externa. Isso porque o combustível utilizado
(madeira ou carvão) era queimado em um ambiente externo ao cilindro e o calor proveniente da queima do combustível aquecia, então, a água em uma caldeira até convertê-la em vapor. O vapor, nesse caso, era o fluido de trabalho do motor.
Em um ciclo motor de combustão interna, a queima do combustível ocorre dentro do cilindro em uma mistura de ar e combustível. Assim, o fluido de trabalho é o ar, ou uma mistura de ar e combustível, ou os gases gerados pela combustão daquela mistura. Os automóveis, caminhões e aviões utilizam um ciclo motor de combustão interna, também conhecido como motor a explosão.
A maioria dos motores que usamos cotidianamente, tais como motores de carros, motocicletas, caminhões, ônibus, barcos, motosserras e roçadeiras são motores de combustão interna.