Segunda lei da termodinâmica

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Segunda lei da termodinâmica

  1. 1. Ciências da Natureza e suas Tecnologias – Física Ensino Médio, 2ª SérieSegunda lei da termodinâmica
  2. 2. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmicahttp://www.youtube.com/watch?feature=iv&annotation_id=annotation_953924&v=lXXrfSE0OZg&src_vid=0fxjO93TcGk
  3. 3. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmica Imagem: Tibbets74 / GNU Free Documentation License.Existem fenômenos cujos eventos acontecem numa ordem direta ouinversa, não nos permitindo saber aquele que aconteceu antes oudepois. Veja o exemplo do pêndulo. Como saber se primeiro ele estavana direita para depois ir para esquerda, ou, se do contrário, ele começada esquerda e vai para a direita?
  4. 4. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmicaPorém, na vida real, todos os fenômenos espontâneos ou naturaissão irreversíveis.“A natureza só admite uma sequência para o transcurso dosacontecimentos. Em todos há uma espécie de orientação queindica o sentido do transcorrer do tempo” (Alberto Gaspar) Imagem: Malene Thyssen / GNU Free Documentation License.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 suatemperatura, nunca o contrário.Como a Física busca entender e descrever a natureza através de leis, airreversibilidade dos fenômenos naturais está expressa na Segunda Lei daTermodinâmica.
  5. 5. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmicaOs fenômenos naturais são irreversíveis porque o calor gerado por eles nunca pode serinteiramente 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 Imagem: Emoscopes / GNU Free Documentation License. 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).
  6. 6. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmicaÉ antiga a ideia de construir uma máquina que possaperpetuar seu movimento a partir de uma energiaproduzida por ela mesma. Pesquise sobre o “Moto-perpétuo” e responda se é possível construir tal máquina obedecendo às leis da Termodinâmica. Imagens: A) (direita, cima) Ulrich von Cranach / Public Domain. B) (esquerda) M.C.Escher, Waterfall, 1961 / http://www.mcescher.com/Gallery/recogn- bmp/LW439.jpg
  7. 7. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmicaO funcionamento de uma máquina térmica é Fonterepresentado pelo diagrama ao lado. QuenteO trabalho realizado pela máquina é o Qqresultado da diferença entre o calor retiradoda fonte quente e o calor rejeitado na fontefria. Trabalho Máquina realizado Fonte Fria Qf
  8. 8. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmicaTente identificar, na máquina térmica ilustrada, a:Fonte quente (Qq)Trabalho realizado (δ) Corresponde ao movimentoFonte fria (Qf) do pistão para cima,devido à expansão do vapor de água. Trabalho realizado Fonte Fria - Qf Com a abertura da válvula, água fria é liberada dentro Corresponde ao do cilindro fazendo o vapor aquecimento da água em condensar (resfriamento). uma caldeira, fazendo-a vaporizar. Fonte Quente - Qq Imagem: Emoscopes / GNU Free Documentation License.
  9. 9. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmicaComo você pode observar, o calor rejeitado na fonte fria não pode ser mais aproveitadona máquina em outro ciclo. Esta energia torna-se indisponível.O físico Ludwig Eduard Boltzmann, em sua análise estatística datermodinâmica, afirmou que esta energia indisponível tendeaumentar a desordem do sistema termodinâmico, dando a 2ª lei umnovo enunciado:Em qualquer sistema físico, a tendência natural é o aumento dadesordem; o restabelecimento da ordem só é possível mediante odispêndio (gasto) de energia. Imagem: Autor desconhecido / Public DomainA tendência à desordem pode ser medida pela Entropia. Logo, quanto maior adesordem num sistema termodinâmico, maior sua Entropia.Assim, podemos afirmar que:Em todo processo natural espontâneo, a entropia doUniverso sempre aumenta.
  10. 10. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmica τO rendimento de uma máquina é definido pelopercentual de calor transformado em trabalho. η 100 QqComo o trabalho pode ser definido por δ = Qq – Qf ,então... Qq  Qf Qf η  η  1 Qq Qq TfOu, se a máquina operar em ciclos de Carnot, η  1teremos Tq
  11. 11. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmica Se o rendimento de uma máquina é definido pelo percentual de calor transformado em trabalho... τ η 100 QqComo não pode existir calor totalmente convertido em trabalho, a segunda leiproíbe a existência de uma máquina térmica com eficiência de 100%.
  12. 12. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmicaA irreversibilidade se dá em processos espontâneos, porém, comgasto de energia, é possível fazer processos ocorrerem de modoinverso ao que ocorreria espontaneamente.Como exemplo, temos a geladeira, uma máquina que retira calorde seu interior (fonte fria) e despeja numa fonte quente atravésde um trabalho executado por um compressor. Imagem: M.Minderhoud / GNU FreeAssim, num refrigerador temos que: Fonte Quente Qq Documentation License. Trabalho (δ) Refrigerador Imagem: Keenan Pepper / GNU Free Documentation License. (Tradução Nossa). Fonte Fria Qf
  13. 13. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmicaO compressor envia o gás Ao longo da tubulação doliquefeito (condensado) evaporador, o calor flui docomprimido por uma tubulação interior da geladeira para o(serpentina) de pequeno diâmetro gás, que retornará aolocalizada na parte traseira do compressor.refrigerador. Então, podemos representarNa unidade de evaporação, esquematicamente o trabalholocalizada no congelador e (δ), o calor lançado na fontepainéis de resfriamento, o gás Imagem: SEE-PE, redesenhado a quente (Qq) e o calor retirado partir de imagem de Autorpassa a uma tubulação de Desconhecido. da fonte fria (Qf).maior diâmetro e expande-se δrapidamente, evaporando numprocesso adiabático, o queprovoca seu resfriamento. Qq Qf Imagem: Ilmari Karonen / GNU Free Documentation License.
  14. 14. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmicaA seguir, temos a representação de dois refrigeradores.O primeiro é um modelo simples, com apenasum ambiente e unidade de congelamentointegrado (uma porta).O segundo refrigerador é do tipo Duplex (duasportas) com unidade de congelamentoseparada e um painel de resfriamento noambiente 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.
  15. 15. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmicaA eficiência (ε) corresponde ao coeficiente obtido pela razão entre o calor retirado dafonte fria (Qf) e o trabalho realizado (δ) pelo compressor em cada ciclo. Qf Qf ε Ou, se considerarmos que δ = Qq – Qf então... ε τ Qq - QfSe um refrigerador opera em ciclos de Carnot, então sua eficiência será calculada por... Tf ε Tq - Tf
  16. 16. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmica01. De acordo com a teoria da Termodinâmica,é correto afirmar:(01) O calor só pode fluir de um corpo a outro de menor temperatura;(02) O princípio da conservação da energia é válido para qualquer sistema físico isolado;(04) Uma máquina térmica transforma integralmente calor em trabalho;(08) A variação da entropia corresponde à variação da energia útil do sistema;(16) Todos os processos naturais irreversíveis acarretam aumento na indisponibilidade de energia.Soma ( ) Próximo problema
  17. 17. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmica(01) O calor só pode fluir de um corpo a outro de menor temperatura. Esta seria uma afirmação correta, segundo o princípio da irreversibilidade dos processos naturais se fosse introduzida, após calor, a palavra espontaneamente. Mas, como vimos numa máquina térmica reversa (refrigerador), com o gasto de energia (realização de trabalho),o calor pode fluir de um ambiente de menor temperatura para um ambiente de maior temperatura. Voltar
  18. 18. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmica(02) O princípio da conservação da energia é válido para qualquer sistema físicoisolado? Sim. Lembremos da 1ª Lei da Termodinâmica. Quando um sistema termodinâmico troca calor com seu entorno, este calor resulta em realização de trabalho e variação da energia interna do sistema. Voltar
  19. 19. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmica(04) Uma máquina térmica transforma integralmente calor em trabalho? Não, pois isso contraria a 2ª Lei da Termodinâmica. Voltar
  20. 20. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmica(08) A variação da entropia corresponde à variação da energia útil do sistema? Sim. A entropia corresponde ao estado de desordem do sistema. O retorno à ordem depende diretamente do gasto de energia (energia útil). Voltar
  21. 21. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmica(16) Todos os processos naturais irreversíveis acarretam aumento na indisponibilidade de energia? É claro que sim! Lembremos do enunciado decorrente dos trabalhos feitos por Boltzmann sobre a segunda lei da termodinâmica: Em todo processo natural espontâneo a entropia do Universo sempre aumenta. Voltar
  22. 22. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmica02. No radiador de um carro, a água fica dentro de tubos de metal(canaletas), como na figura abaixo. Com a ajuda de uma bomba dágua, aágua fria do radiador vai para dentro do bloco do motor, circulando ao redordos cilindros. Na circulação, a água recebe calor da combustão do motor,sofre aumento de temperatura e volta para o radiador; é então resfriada,trocando calor com o ar que flui externamente devido ao movimento docarro. Quando o carro está parado ou em marcha lenta, um termostatoaciona um tipo de ventilador (ventoinha), evitando o superaquecimento daágua.A situação descrita evidencia que, no processo de combustão,parte da energia não foi transformada em trabalho para o carro semover. Examinando-se as trocas de calor efetuadas, pode-seafirmar quea) considerando o motor uma máquina térmica ideal, quantomaior for o calor trocado, maior será o rendimento do motor;b) considerando o motor uma máquina térmica ideal, quantomenor for o calor trocado, menor será o rendimento do motor;c) ocorre um aumento da entropia do ar nessas trocas de calor;d) ocorrem apenas processos reversíveis nessas trocas de calor.UFRN 2001 / http://professor.bio.br/fisica/lista.all.asp?curpage=340
  23. 23. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmica03. Uma central de energia utilizada por uma equipe móvel de TV desenvolve 1,8.107joules de energia elétrica enquanto seu motor a gasolina consome 2,5 litros decombustível, cujo poder calorífico é de 3,6.107 joules/litro. O rendimento da central éde: a) 10%; b) 20%; c) 40%; d) 50%; e) 100%.
  24. 24. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmicaNeste problema, precisamos identificar ...O total de energia retirada do combustível (Qq);A energia utilizada para geração de energia elétrica (δ).A energia retirada do combustível corresponde a 2,5 litros x 3,6.107 joules/litro. Qq  2,5  3,6.107  9.107 JO texto afirma que, para esta quantidade de energia retirada do combustível, sãogerados 1,8.107 joules de energia elétrica (δ). Assim o rendimento desta máquina podeser calculado por... τ η Qq 100 η  1,8.107 7 100 η  20% 9.10
  25. 25. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmica04. (ENEM 2002) O diagrama mostra autilização das diferentes fontes de energiano cenário mundial. Emboraaproximadamente um terço de toda energiaprimária seja orientada à produção deeletricidade, apenas 10% do total sãoobtidos em forma de energia elétrica útil.A pouca eficiência do processo de produção de eletricidade deve-se, sobretudo, ao fato de asusinasa) nucleares utilizarem processos de aquecimento, nos quais as temperaturas atingem milhões degraus Celsius, favorecendo perdas por fissão nuclear;b) termelétricas utilizarem processos de aquecimento a baixas temperaturas, apenas da ordem decentenas de graus Celsius, o que impede a queima total dos combustíveis fósseis;c) hidrelétricas terem o aproveitamento energético baixo, uma vez que parte da água em quedanão atinge as pás das turbinas que acionam os geradores elétricos;d) nucleares e termelétricas utilizarem processos de transformação de calor em trabalho útil, noqual as perdas de calor são sempre bastante elevadas;e) termelétricas e hidrelétricas serem capazes de utilizar diretamente o calor obtido do combustívelpara aquecer a água, sem perda para o meio.
  26. 26. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Segunda lei da termodinâmica05. Um refrigerador de uso doméstico é uma máquina térmica invertida: o calor éretirado do congelador à temperatura de -23°C, enquanto a temperatura do ambienteem que ele se encontra é de 27°C. O coeficiente de desempenho do refrigerador deCarnot, operando em ciclos entre essas temperaturas, é a) 0,20 Inicialmente é necessário ter os valores das temperaturas em escala b) 0,80 absoluta, assim... c) 2,0 Tf  273  (23)  250 K d) 4,0 Tq  273  27  300 K e) 5,0 Para um refrigerador que opera no ciclo de carnot entre essas temperaturas, seu coeficiente de eficiência será... Tf 250 250 ε   5 T q Tf 300  250 50
  27. 27. Tabela de ImagensSlide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso 3 Tibbets74 / GNU Free Documentation License. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Simple 20/03/2012 _Pendulum.gif 4 Malene Thyssen / GNU Free Documentation http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Animat 20/03/2012 License. ed_flower.GIF 5 Emoscopes / GNU Free Documentation License. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Newco 20/03/2012 men_atmospheric_engine_animation.gif 6a Ulrich von Cranach / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fototh 20/03/2012 ek_df_tg_0006004_Mechanik_%5E_M%C3%BC hle_%5E_Rad.jpg 6b M.C.Escher, Waterfall, 1961 / http://www.mcescher.com/Gallery/recogn- 20/03/2012 http://www.mcescher.com/Gallery/recogn- bmp/LW439.jpg bmp/LW439.jpg 8 Emoscopes / GNU Free Documentation License. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Newco 20/03/2012 men_atmospheric_engine_animation.gif 9a Autor desconhecido / Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Boltzm 20/03/2012 ann-Ludwig.jpg12a M.Minderhoud / GNU Free Documentation http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Koelka 20/03/2012 License. st_open.jpg12b Keenan Pepper / GNU Free Documentation http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Refrige 20/03/2012 License. ration.png13a SEE-PE, redesenhado a partir de ilustração de Acervo SEE-PE 20/03/2012 Autor Desconhecido.
  28. 28. Tabela de ImagensSlide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso13a SEE-PE, redesenhado a partir de ilustração de Acervo SEE-PE 20/03/2012 Autor Desconhecido.13b Ilmari Karonen / GNU Free Documentation http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Refrige 20/03/2012 License. rator-cycle.svg14a SEE-PE, redesenhado a partir de ilustração de Acervo SEE-PE 20/03/2012 Autor Desconhecido.14b Pierre gencey / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Frigida 20/03/2012 ire_tm.jpg14c Paul Robinson / GNU Free Documentation http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Refrige 20/03/2012 License. rator2.svg22 UFRN 2001 http://professor.bio.br/fisica/lista.all.asp?curpag 20/03/2012 e=340 25 ENEM 2002 http://www.fisicafacil.pro.br/enem/enem15.ht 20/03/2012 m

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