Ciências e Educação. : Aula 24 de Instrumentação I, ministrada pelo professor Rafael, Entropia e a Segunda Lei da Termodinâmica, UFCG-2020.2, acontecerá nesta terça, 14

A aula 24 de Instrumentação I, ministrada pelo professor Rafael, dando continuidade ao estudo de Física Térmica, será visto a velocidade média das moléculas de um gás ideal, as Leis da Termodinâmica e Entropia, acontecerá nesta, terça-feira, 14, das 10h às 12h, disponível no blog ciências e educação.

Um processo irreversível é aquele processo que não acontece espontaneamente. Vai mas não volta. No caso contrário é dito reversível. Fluido operante: agentes intermediários, recebe uma certa quantidade de calor faz um trabalho e perde uma quantidade de calor sob forma de vapor, energia, etc. Entropia, fornece uma direção e o grau de ordenação.

Lei zero da termodinâmica

Considere dois sistemas A e B em equilíbrio térmico com um sistema C, então A e B estão em equilíbrio térmico também.

Primeira Lei da termodinâmica

A primeira lei da Termodinâmica é uma generalização do princípio de conservação de energia, levando em conta a energia térmica em forma de Calor. Ela relaciona o calor com a variação de energia interna e o trabalho realizado pelo sistema.

Se um sistema termodinâmico recebe uma quantidade de energia térmica ΔQ, sofrerá uma variação de energia interna ΔU e realiza um trabalho W, resulta em.

ΔQ= ΔU+W

Definição de pressão P

P =F/A

Com F sendo a força e A a área da superfície em que atua a força F.

Unidades de pressão:

No SI: Pa(pascal) é igual a um newton por metro quadrado.

1Pa=N/m²

que está relacionada a pressão atmosférica (atm),devido ao peso da mistura de gases:

1atm=76cmHg=760mmHg=1,013x10⁵N/m²

(mmHg-significa milímetro de mercúrio. Lembre-se que 1cm=10³mm.)

A pressão atmosférica foi medida pela primeira vez pelo discípulo de Galileu, Torricelli, em 1643. Ele usou um tubo cheio de mercúrio com uma das extremidade aberta e colocou dentro de uma vasilha contendo mercúrio e observou que o fluido dentro do tubo ficou a uma altura de 76cm da superfície.

Torricelli
Trabalho Termodinâmico

Considerando um sistema termodinâmico sob uma pressão constante, então a força será constante e, o trabalho realizado para levar o sistema de um estado inicial ao estado final, torna-se:

W=FD=PAD=PΔV(pressão vezes a variação de volume).

Portanto, em uma expansão o trabalho será positivo, pois ΔV>0. No caso de uma compressão, W<0, pois ΔV<0.

Se for dado um diagrama PV (pressão versus o volume), o trabalho será a área abaixo da curva.

A pressão varia com a altitude.

Máquina Térmica

Enunciado da segunda lei da termodinâmica, para uma máquina térmica.

É impossível existir um processo cíclico em que uma máquina térmica transforme integralmente em trabalho, retirando calor Q_q de um reservatório de uma fonte a temperatura quente T_q para um reservatório de uma fonte a temperatura fria T_F, realizando um trabalho termodinâmico W=Q_q-Q_F, sem perder energia térmica Q_F, para a fonte fria.

Rendimento

𝜼=W/Q_q

ou seja,

𝜼=(Q_q-Q_F)/Q_q=Q_q/Q_q-Q_F/Q_q=1-Q_F/Q_q

𝜼=1-Q_F/Q_q

Exemplo: Considere uma excelente máquina térmica operando em ciclo transferindo 400J de uma fonte quente, realiza trabalho, liberando 50J para uma fonte fria.

a) Qual o rendimento?

b) Qual o trabalho termodinâmico realizado?

Solução

a) Dados: Q_f=50J e Q_q=400J

Rendimento

𝜼=1-Q_f/Q_q=1-50/400=1-1/8=7/8=0,875=87,5%

b) Trabalho

W=Q_q-Q_f=(400-50)J=350J

Refrigerador

Enunciado da segunda lei da termodinâmica, para um Refrigerador.

É impossível realizar um processo ciclo, cujo o único efeito seria retirar calor Q_f de um reservatório de uma fonte a temperatura fria T_f para um reservatório de uma fonte a temperatura quente T_q, sem realizar trabalho W. Na geladeira, esse trabalho termodinâmico W é realizado pelo motor e o compressor.

Entropia e Segunda Lei da termodinâmica. Um processo irreversível é aquele processo que não acontece espontaneamente. Vai mas não volta. Exemplo, quando uma panela com feijão derrama sobre uma mesa, é impossível o feijão retornar para a panela sozinho.

No caso contrário é dito um processo reversível. Fluido operante: agentes intermediários, recebe uma certa quantidade de calor faz um trabalho e perde uma quantidade de calor sob forma de vapor, energia, etc. Entropia, fornece uma direção e o grau de ordenação: A variação de entropia, para uma variação infinitesimal da temperatura é definida por

ΔS > ⌠dQ/T ou ΔS= ⌠dQ/T

O sinal de maior é para um processo irreversível e o sinal de igualdade é para um sistema termodinâmico reversível, definida pelo Físico alemão Rudolph Clausius(1822-1888), no estudo de fenômenos naturais.

No caso de uma transformação isotérmica, isto é, quando a transferência de calor é realizada a temperatura constante, a entropia torna-se:

ΔS > Q/T (processo irreversível )

ΔS= Q/T (processo reversível )

Considere um gás em contato com um reservatório de calor sob um processo (de transferência de calor) isotérmico. Note que, para o gás,

ΔS_g= - Q/T_q<0.

Para o reservatório,

ΔS_R= Q/T_f>0.

A variação total da entropia do sistema gás mais reservatório é positiva,

ΔS=ΔS_g+ΔS_f= Q/T_f-Q/T_q>0..

Máquina Térmica Ideal, operando em cilco

No caso de máquina térmica reversível, ideal de Carnot, que opera em ciclo, absorvendo energia em forma de calor de uma fonte quente, Q_q, realiza trabalho W e libera calor para a fonte fria, Q_F, a entropia total é nula.

ΔS=ΔS_g+ΔS_F=Q_q/T_q-Q_F/T_F=0.

Portanto,

Q_q/Q_F=T_q/T_F(Temperatura da fonte quente dividida pela temperatura da fonte fria.)

Neste caso, o rendimento torna-se:

𝜼=1-T_q/T_F.

Para um sistema isolado a entropia ou se mantém constante (em processo reversível) ou aumenta com o passar do tempo (em processo irreversível). Os processos da natureza ocorrem sempre no mesmo sentido. Quanto maior a desordem de um sistema maior a variação de sua entropia.