Leis da Termodinâmica: Segunda Lei

1) É possível transformar toda a energia térmica em qualquer outra forma de energia?

Há um limite na transformação do calor em energia para realização de um trabalho. É possível transformar uma forma de energia toda em calor, mas não é possível todo o calor em outra forma de energia, esse fato é explicado pela Segunda Lei da Termodinâmica.

2) O que diz a Segunda Lei da Termodinâmica?

Essa lei complementa a primeira, pelo fato de explicar um aspecto que está além do que foi abrangido pela primeira lei, pois indica o sentido espontâneo da ocorrência de um processo. O calor só se transfere espontaneamente de corpos de maior temperatura para os de menor temperatura.

3) Como é explicada a Segunda Lei da Termodinâmica?

Todo processo ocorre de maneira espontânea num sentido específico:

A troca de calor entre dois corpos com diferentes temperaturas ocorre do corpo com maior temperatura (mais quente) para o de menor temperatura (mais frio); assim como, um corpo em queda livre vertical descreve uma trajetória de um ponto mais acima (altura maior) para um ponto mais a baixo (menor altura).

4) Qual a relação entre a Primeira Lei com a Segunda Lei da Termodinâmica?

A primeira lei informa que a energia é conservada; contudo, ela nada afirma sobre o sentido espontâneo em que os processos acontecem.

A segunda lei indica, basicamente, o sentido espontâneo de um processo, que será sempre aquele em que temos um aumento da desordem das moléculas no resultado global.

5) Como a Física trata a desordem das moléculas, segundo as Leis da Termodinâmica?

Define-se a segunda lei através de dois enunciados atribuídos a dois importantes estudiosos: Clausius e Kelvin-Planck.

a) Enunciado de Clausius: É impossível construir um dispositivo que, realize a transferência de calor de um corpo a baixa temperatura para outro a alta temperatura sem interferências externas. Consegue descrever o funcionamento de geladeiras e ar-condicionados: ambos retiram o calor de um ambiente a baixa temperatura despejando-o para um de alta temperatura; porém, eles fazem isso somente se houver consumo de energia elétrica (interferência externa).

b) Enunciado de Kelvin-Planck: É impossível construir um dispositivo que tenha como único efeito transformar em trabalho toda quantidade de calor absorvida num reservatório térmico. Podemos referir ao rendimento das usinas de termelétricas: a energia térmica obtida a partir da queima do carvão não pode ser integralmente convertida em trabalho elétrico, sendo parcialmente convertida e desperdiçada sob forma de calor, de forma irreversível.

6) De que maneira é manifestado a quantidade de calor que é possível para realizar trabalho?

Um exemplo clássico que ilustra a manifestação das Leis da Termodinâmica é o Ciclo de Carnot:

Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796 – 1832), idealizou em 1824, tendo como principal característica obter um Rendimento Máximo de uma Máquina Térmica:

O Ciclo de Carnot é composto por quatro processos reversíveis, sendo duas transformações adiabáticas alternadas com duas transformações isotérmicas, como mostram os esquemas a seguir:

Observando o esquema acima, vamos descrever o ciclo:

Trecho AB: partindo do ponto A, o gás realiza uma expansão isotérmica até B, recebendo uma quantidade de calor Q₁ da fonte quente (temperatura T₁)

Trecho BC: partindo do ponto B, o gás realiza uma expansão adiabática até C, não ocorrendo troca de calor

Trecho CD: partindo do ponto D, o gás realiza uma compressão isotérmica até D, rejeitando o calor (Q₂) que não se converteu em trabalho para a fonte fria (temperatura T₂)

Trecho DA: partindo do ponto D, o gás realiza uma compressão adiabática até A, não ocorrendo troca de calor.

Ao idealizar o ciclo, Carnot demonstrou que as quantidades de calor trocadas durante o ciclo eram proporcionais as respectivas temperaturas absolutas de suas fontes, como consequência, o rendimento pode ser expresso em função das temperaturas absolutas das respectivas fontes:

Obs.: o rendimento é uma grandeza adimensional, sendo geralmente dado em porcentagem.

O resultado obtido para o rendimento de uma máquina térmica que trabalha utilizando o ciclo de Carnot nos permite concluir que:

“O Rendimento para o ciclo de Carnot não depende do gás que sofre a transformação térmica, sendo função apenas das temperaturas absolutas das fontes quente e fria.”

Atividades:

1) Julgue cada afirmativa como verdadeira (V) ou falsa (F):

a) É impossível construir um dispositivo que realize a transferência de calor de um corpo com baixa temperatura para outro com alta temperatura sem interferências externas. ( )

b) A Segunda Lei da Termodinâmica indica o sentido espontâneo da ocorrência de um processo de transformação de energia. ( )

c) A troca de calor entre dois corpos com diferentes temperaturas ocorre do corpo com maior temperatura para o de menor temperatura. ( )

d) É impossível construir um dispositivo que tenha, como único efeito, transformar em trabalho toda quantidade de calor absorvida num reservatório térmico. ( )

d) É possível realizar um processo real cujo único resultado seja remover calor de uma fonte quente e transformá-lo numa quantidade equivalente de trabalho.

e) É possível que, espontaneamente, o calor flua de uma fonte fria para uma fonte quente.

f) É impossível construir um dispositivo que opere em um ciclo termodinâmico e não produza outros efeitos além da passagem de calor da fonte fria para a fonte quente. ( )

g) É impossível a um motor térmico operar trocando calor uma única fonte de calor. ( )

h) É impossível transferir energia na forma de calor de um reservatório térmico à baixa temperatura para outro com temperatura mais alta. ( )

2) Sobre o ciclo de Carnot é FALSO dizer:

(A) A máquina de Carnot é a única que pode assumir rendimentos de até 100%.

(B) O Ciclo de Carnot é caracterizado por quatro transformações termodinâmicas reversíveis.

(C) Nenhuma máquina que opere entre duas temperaturas fixadas pode ter rendimento maior que a máquina ideal de Carnot atuando nessas mesmas temperaturas.

(D) Uma máquina opera segundo o ciclo de Carnot e apresenta rendimento termodinâmico de 60%. Sendo 100 K a temperatura de sua fonte quente, 40 K é a temperatura de sua fonte fria.

3) (ENEM-2011) Um motor só poderá realizar trabalho se receber uma quantidade de energia de outro sistema. No caso, a energia armazenada no combustível é, em parte, liberada durante a combustão para que o aparelho possa funcionar.

Quando o motor funciona, parte da energia convertida ou transformada na combustão não pode ser utilizada para a realização de trabalho. Isso significa dizer que há vazamento da energia em outra forma.

CARVALHO, A. X. Z. Física Térmica. Belo Horizonte: Pax, 2009 (adaptado).

De acordo com o texto, as transformações de energia que ocorrem durante o funcionamento do motor são decorrentes de a:

      (A) liberação de calor dentro do motor ser impossível.
      (B) realização de trabalho pelo motor ser incontrolável.
      (C) conversão integral de calor em trabalho ser impossível.
      (D) transformação de energia térmica em cinética ser impossível.
      (E) utilização de energia potencial do combustível ser incontrolável.

4) (ENEM-2013) Aumentar a eficiência na queima de combustível dos motores a combustão e reduzir suas emissões de poluentes é a meta de qualquer fabricante de motores. É também o foco de uma pesquisa brasileira que envolve experimentos com plasma, o quarto estado da matéria e que está presente no processo de ignição. A interação da faísca emitida pela vela de ignição com as moléculas de combustível gera o plasma que provoca a explosão liberadora de energia que, por sua vez, faz o motor funcionar.

Disponível em: www.inovacaotecnologica.com.br. Acesso em: 22 jul. 2010 (adaptado).

No entanto, a busca da eficiência referenciada no texto apresenta como fator limitante:

(A) o tipo de combustível, fóssil, que utilizam. Sendo um insumo não renovável, em algum momento estará esgotado.

(B) um dos princípios da termodinâmica, segundo o qual o rendimento de uma máquina térmica nunca atinge o ideal.

(C) o funcionamento cíclico de todos os motores. A repetição contínua dos movimentos exige que parte da energia seja transferida ao próximo ciclo.

(D) as forças de atrito inevitável entre as peças. Tais forças provocam desgastes contínuos que com o tempo levam qualquer material à fadiga e ruptura.

(E) a temperatura em que eles trabalham. Para atingir o plasma, é necessária uma temperatura maior que a de fusão do aço com que se fazem os motores.

4) Indique a única afirmativa que se refere à Segunda Lei da Termodinâmica:

(A) A maioria dos processos naturais é reversível.

(B) A energia térmica transforma-se espontaneamente em uma forma de energia capaz de realizar trabalho.

(D) O calor não transita naturalmente dos corpos com temperatura menor para os corpos com temperatura maior.