Tecnologias – Física
Segunda lei da termodinâmica
Existem fenômenos cujos eventos acontecem numa ordem direta ou inversa, não nos permitindo saber aquele que aconteceu antes ou depois. Veja o exemplo do pêndulo. Como saber se primeiro ele estava na direita para depois ir para esquerda, ou, se do contrário, ele começa da esquerda e vai para a direita?
Imagem: Tibbets74 / GNU Free Documentation License.
Porém, na vida real, todos os fenômenos espontâneos ou naturais são irreversíveis.
“A natureza só admite uma sequência para o transcurso dos acontecimentos. Em todos há uma espécie de orientação que indica o sentido do transcorrer do tempo” (Alberto Gaspar)
Assim, em um fenômeno irreverversível, é possível distinguir entre o antes e o depois.
Um copo com água gelada (10°C) colocado sobre a mesa, à temperatura ambiente (25°C), espontaneamente, receberá sempre calor do ambiente elevando sua temperatura, nunca o contrário.
Como a Física busca entender e descrever a natureza através de leis, a irreversibilidade dos fenômenos naturais está expressa na Segunda Lei da Termodinâmica.
Imagem: Malene Thyssen / GNU Free Documentation License.
Os fenômenos naturais são irreversíveis porque o calor gerado por eles nunca pode ser inteiramente reaproveitado em outra forma de energia.
Aplicando esta regra ao funcionamento das máquinas térmicas, temos que...
Nenhuma máquina térmica operando em ciclos pode retirar calor de uma fonte e transformá-lo integralmente em trabalho.
Então, numa máquina térmica, o calor retirado de uma fonte quente (Qq) será transformado, parte dele em trabalho (δ) e o restante rejeitado numa fonte fria (Qf).
Imagem: Emoscopes / GNU Free Documentation License.
Fonte Fria
Q
fO funcionamento de uma máquina térmica é representado pelo diagrama ao lado.
Fonte Quente
Q q
Máquina Trabalho
realizado O trabalho realizado pela máquina é o
resultado da diferença entre o calor retirado da fonte quente e o calor rejeitado na fonte fria.
Tente identificar, na máquina térmica ilustrada, a:
✓Fonte quente (Qq)
✓Trabalho realizado (δ)
✓Fonte fria (Qf)
Fonte Quente - Q
qTrabalho realizado
Corresponde ao movimento do pistão para cima,devido à expansão do vapor de água.
Corresponde ao
aquecimento da água em uma caldeira, fazendo-a vaporizar.
Fonte Fria - Q
fCom a abertura da válvula, água fria é liberada dentro do cilindro fazendo o vapor condensar (resfriamento).
Imagem: Emoscopes / GNU Free Documentation License.
Como você pode observar, o calor rejeitado na fonte fria não pode ser mais aproveitado na máquina em outro ciclo. Esta energia torna-se indisponível.
O físico Ludwig Eduard Boltzmann, em sua análise estatística da termodinâmica, afirmou que esta energia indisponível tende aumentar a desordem do sistema termodinâmico, dando a 2ª lei um novo enunciado:
Em qualquer sistema físico, a tendência natural é o aumento da desordem; o restabelecimento da ordem só é possível mediante o dispêndio (gasto) de energia.
A tendência à desordem pode ser medida pela Entropia. Logo, quanto maior a desordem num sistema termodinâmico, maior sua Entropia.
Assim, podemos afirmar que:
Em todo processo natural espontâneo, a entropia do Universo sempre aumenta.
Imagem: Autor desconhecido / Public Domain
O rendimento de uma máquina é definido pelo
percentual de calor transformado em trabalho.
100 Q
η τ
q
=
Como o trabalho pode ser definido por δ = Qq – Qf , então...
q f q
f q
Q 1 Q
Q η Q
η Q − = −
=
Ou, se a máquina operar em ciclos de Carnot, teremos
q f
T 1 T
η = −
Como não pode existir calor totalmente convertido em trabalho, a segunda lei proíbe a existência de uma máquina térmica com eficiência de 100%.
Q 100 η τ
q
=
Se o rendimento de uma máquina é definido pelo percentual de calor transformado em trabalho...
A irreversibilidade se dá em processos espontâneos, porém, com gasto de energia, é possível fazer processos ocorrerem de modo inverso ao que ocorreria espontaneamente.
Como exemplo, temos a geladeira, uma máquina que retira calor de seu interior (fonte fria) e despeja numa fonte quente através de um trabalho executado por um compressor.
Assim, num refrigerador temos que:
Refrigerador Trabalho (δ)
Fonte Fria Qf
Fonte Quente Qq
Imagem: M.Minderhoud / GNU Free Documentation License.
Imagem: Keenan Pepper / GNU Free Documentation License.
(Tradução Nossa).
O compressor envia o gás liquefeito (condensado) comprimido por uma tubulação (serpentina) de pequeno diâmetro localizada na parte traseira do refrigerador.
Na unidade de evaporação, localizada no congelador e painéis de resfriamento, o gás passa a uma tubulação de maior diâmetro e expande-se rapidamente, evaporando num processo adiabático, o que provoca seu resfriamento.
Ao longo da tubulação do evaporador, o calor flui do interior da geladeira para o gás, que retornará ao compressor.
Então, podemos representar esquematicamente o trabalho (δ), o calor lançado na fonte quente (Qq) e o calor retirado da fonte fria (Qf).
Q
fδ
Imagem: Ilmari Karonen / GNU Free Documentation License.
Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor
Desconhecido.
O primeiro é um modelo simples, com apenas um ambiente e unidade de congelamento integrado (uma porta).
O segundo refrigerador é do tipo Duplex (duas portas) com unidade de congelamento separada e um painel de resfriamento no ambiente inferior.
Imagens da esquerda para a direita: (a)SEE-PE, redesenhado a partir de ilustração de Autor Desconhecido. (b) Pierre gencey / Public Domain. (c) Paul Robinson / GNU Free Documentation License.
A eficiência (ε) corresponde ao coeficiente obtido pela razão entre o calor retirado da fonte fria (Qf) e o trabalho realizado (δ) pelo compressor em cada ciclo.
τ
ε = Q
f Ou, se considerarmos que δ = Qq – Qf então...f q
f
Q - Q ε = Q
Se um refrigerador opera em ciclos de Carnot, então sua eficiência será calculada por...
f q
f
