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GUIA PEDAGÓGICO DO PROFESSOR Segunda Lei da Termodinâmica

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Academic year: 2021

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OBJETIVOS

Ao final desta aula, o aluno deverá ser capaz de:

 Reconhecer a segunda lei da termodinâmica como o aumento da entropia de um sistema;

 Identificar o aumento da entropia de um sistema a uma probabilidade de maior desordem ou a uma menor disponibilidade de energia para conversão em trabalho;

 Reconhecer o funcionamento das máquinas térmicas e frigoríficas;

 Calcular o rendimento das máquinas térmicas e frigoríficas;

 Identificar as implicações da segunda lei da termodinâmica no funcionamento de máquinas térmicas e frigoríficas.

DURAÇÃO

Este encontro utilizará 2h – aula (45 min)

RECURSOS/MATERIAIS DE APOIO

 Computador;

 Data show;

GUIA PEDAGÓGICO DO PROFESSOR

Segunda Lei da Termodinâmica

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INTRODUÇÃO Organizador prévio

O professor iniciará o encontro argumentando sobre grandezas físicas de sistemas e suas características, especificamente a energia e a entropia. Conforme já esclarecido anteriormente, a energia de um sistema isolado é uma quantidade que sempre permanecerá constante. Já a entropia, tende a aumentar.

Assim, a apresentação do organizador prévio iniciará enunciando a segunda lei da termodinâmica. “A segunda lei da termodinâmica diz que a entropia de um sistema tende a aumentar”. Buscando esclarecer seu significado, será utilizado um organizador prévio, que utiliza garrafas com paisagens feitas de areia colorida.

Figura 02: Vídeo Abc da Astronomia – Episódio 6: Estrelas Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=oAVszrKt4Tw

Se a garrafa não estiver completamente cheia e for agitada, a areia colorida irá se misturar e a imagem desaparecerá. E por mais que ela continue a ser agitada, ela não retornará ao formato organizado que continha inicialmente. Isto por que a probabilidade de encontrarmos combinações destes grãos desordenados é muito maior do que a probabilidade deles encontrar eles organizados.

Assis, ao afirmar que a entropia de um sistema tende a aumentar, significa dizer que o sistema assumirá uma configuração irreversível de maior desordem. Ou seja:

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 Mesmo havendo probabilidades de encontrar uma configuração organizada, elas serão improváveis de ocorrer;

 Irreversível, porque após assumir esta configuração de maior desorganização, ela não retornará ao estado organizado espontaneamente.

Assim se comportam sistemas termodinâmicos. Suas entropias tendem a aumentar, ou seja, a tendência é que com o tempo assumam configurações de maior desordem. Quando dois objetos de diferentes temperaturas são colocados em contato, o estado de maior entropia (desordem) ocorrerá quando a energia estiver distribuída entre um maior número de constituintes, ou seja, quando os blocos atingirem o equilíbrio térmico.

Figura 02: Equilíbrio térmico

Uma vez alcançada esta configuração, o sistema não retornará ao estado mais organizado em que se encontrava inicialmente. É um processo irreversível, ou seja, nunca observaremos a transferência de energia de um objeto mais frio para o mais quente ocorrer espontaneamente. Somente conseguimos isto quando adicionamos trabalho. Este é o principio de funcionamento de máquinas frigoríficas.

Dentre as diferentes formas de energia (cinética, potencial) a energia térmica é mais deteriorável, isto é, mais difícil de ser aproveitada em trabalho:

• Pode-se converter completamente as energias cinética e potencial em trabalho;

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• Mas não se pode converter toda energia térmica um gás em trabalho;

Assim, outro modo de interpretar o aumento entropia de um sistema é dizer que a quantidade de energia disponível para conversão em trabalho diminuiu.

Um exemplo disto são máquinas térmicas, como os motores dos carros. Elas não são 100% eficiente, pois não conseguem converter totalmente a energia térmica do combustível em trabalho.

Encerrando esta etapa, o professor poderá resumir o significado de aumento de entropia de um sistema do seguinte modo:

• O sistema assumirá uma configuração irreversível de maior desordem; • O sistema diminuirá a quantidade energia disponível para conversão em

trabalho.

Ciclos termodinâmicos

Apresentada a segunda lei da termodinâmica e o significado de entropia, serão apresentados os ciclos termodinâmicos, como sucessivas etapas de transformações termodinâmicas que um gás sofre, até retornar aos valores iniciais de temperatura, pressão e volume. O professor deve esclarecer eles são utilizados para compreender o funcionamento das máquinas térmicas e frigoríficas.

Máquinas térmicas

As máquinas térmicas serão definidas como equipamentos que convertem energia interna do gás em trabalho mecânico. Alguns exemplos poderão ser apresentados como motor de combustão interna e a máquina a vapor. Antes de iniciar a análise do funcionamento da máquina térmica, conceitos como fonte quente (caldeira), fonte fria (atmosfera) e trabalho realizado (pistão). A simulação Phet propriedades dos gases pode ser usada em conjunto, para indicar onde estão as localizadas as fontes quente e fria e o trabalho realizado, mas também ilustrar o ciclo termodinâmico. A análise do

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gráfico da Pressão x Volume também poderá ser feita conjuntamente para esclarecer.

Retomando o conceito de entropia visto anteriormente o professor esclarecerá que nenhuma máquina térmica ideal não consegue converter toda a energia interna em trabalho. Para realizar trabalho num ciclo completo é necessário que ela rejeite parte da energia térmica do gás.

Figura 03: Ciclo termodinâmico máquina térmica

Encerrando este tópico, foi apresentada a equação do rendimento das máquinas térmicas, juntamente com a resolução de um exercício de fixação.

Máquinas frigoríficas

A apresentação das máquinas frigoríficas partirá da explicação do organizador prévio, retomando a ideia de que espontaneamente não é possível transferir energia de uma fonte fria para uma fonte quente. Para que isto ocorra, necessitamos fornecer trabalho.

Assim, o professor definirá as máquinas frigoríficas como equipamentos que utilizam trabalho para transferir energia de uma fonte fria para uma fonte quente. Dentre os exemplos, podem ser apresentados a geladeira e o ar condicionado na função resfriar. Algumas imagens foram utilizadas para esclarecer aos alunos onde se encontram na geladeira e no ar-condicionado as fontes quentes e frias, bem como o compressor que realiza o trabalho sobre o gás freon.

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em conjunto, para indicar onde estão as localizadas as fontes quente e fria e o trabalho realizado, mas também ilustrar o ciclo termodinâmico. A análise do gráfico da Pressão x Volume também poderá ser feita conjuntamente para esclarecer.

Ao final da explicação, o conceito de entropia será retomado novamente, esclarecendo que transferência de energia de um objeto mais frio para um mais quente não ocorre espontaneamente. Para que ocorra, é necessário trabalho para realizar.

Esta etapa encerrará com a apresentação da equação do rendimento das máquinas frigoríficas, juntamente com a resolução de um exercício de fixação.

AVALIAÇÃO

Exercícios de fixação

Os alunos responderão os exercícios de rendimentos de máquinas termodinâmicas existentes em suas apostilas.

Mapas conceituais

No final da apostila dos alunos há uma tarefa, que consiste na elaboração de um mapa conceitual, utilizando os conceitos vistos nesta aula. Para facilitar a elaboração, alguns conceitos foram sugeridos.

Referências

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