O documento discute a entropia e a segunda lei da termodinâmica. Apresenta o conceito de entropia como uma propriedade de estado dos sistemas e discute como a entropia aumenta em processos irreversíveis em sistemas fechados de acordo com a segunda lei. Também aborda máquinas térmicas como motores e refrigeradores, incluindo seus ciclos e eficiência máxima de acordo com o ciclo de Carnot.

1. Física 2 – Entropia e a
Segunda Lei da
Termodinâmica
Prof. Dr. Walmor Cardoso Godoi
Departamento de Física - DAFIS
Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR

2. Exemplo comum
Q
Q
Enunciado de Clausius - O
calor não pode fluir, de forma
espontânea, de um corpo de
temperatura menor, para um
outro corpo de temperatura
mais alta.
Esse processo
não
acontece, emb
ora obedece a
1ª lei da
termodinâmica

3. Processos unidirecionais
irreversíveis, seta do tempo ...

4. Processos Irreversíveis e Entropia
Todos os processos irreversíveis em um sistema
fechado são acompanhados por aumento da
entropia.
Definindo a variação de entropia:
1. Temperatura e energia do sistema
2. Formas de distribuição de átomos ou moléculas

5. Variação de Entropia
Processo
irreversível
Pressão e volume são propriedades de estado.
Adicionando + uma propriedade de estado: Entropia
Unidade: J/K

6. Variação de Entropia
Processo
reversível

7. A Entropia como uma Função de Estado
Entropia:
• propriedade
do
estado do sistema
• não depende do
modo como esse
estado é atingido
Válido para qualquer processo
reversível

8. A 2ª Lei da Termodinâmica
Processo
reversível
Sentido inverso:
Podemos voltar à (a)
acrescentando
algumas esferas
e retirando calor
(sistema aberto)
Para um sistema fechado :
gás + fonte de calor

9. A 2ª Lei da Termodinâmica
Se um processo ocorre em um sistema fechado,
a entropia do sistema aumenta se o processo for
irreversível e permanece constante se o
processo for reversível.

10. Força Associada à Entropia
Borracha

11. Máquinas Térmicas
Máquina térmica:
• Extrai energia do meio ambiente na forma de calor para
realizar trabalho útil
• Utiliza substância de trabalho operando em ciclos (água, por
exemplo)

12. Máquinas Térmicas

13. Máquinas Térmicas
• Ciclo de Carnot
– Máquina térmica ideal
– Processo reversível
– Transferência de
energia realizada sem
perdas por atrito e
turbulência

14. Ciclo de Carnot

15. Máquinas Térmicas
• Ciclo de Carnot

16. Máquinas Térmicas
• Ciclo de Carnot

17. Máquinas Térmicas
• Ciclo de Carnot
– Trabalho líquido
– Variações de Entropia

18. Máquinas Térmicas
• Eficiência de uma Máquina de Carnot:
trabalho realizado por ciclo
(Eficiência qualquer máquina térmica)

19. Máquinas Térmicas
Enunciado de Kelvin
• É impossível a construção
de um dispositivo que,
por si só, isto é, sem
intervenção do meio
exterior, consiga
transformar
integralmente em
trabalho o calor
absorvido de uma fonte
a uma dada temperatura
uniforme.
IMPOSSÍVEL

20. Alguns dados
Equipamento
Dado
Aquecedores de Água a Gás - Tipo
Instantâneo
80 % rendimento energético
Sistemas e Equipamentos para
AQUECIMENTO SOLAR DE ÁGUA
55 % rendimento energético
Carros leves
1,45 até 2,00 MJ/km (25 % eficiência)
Usina nuclear
40 % eficiência energética
Usina térmica1
35 % eficiência energética
Melhores placas solares comercializadas do 16 % eficiência conversão
mundo
Usina hidrelétrica
95 % eficiência energética
Fontes:
Halliday & Resnick – Física Vol. 2
1 2009, média mundial segundo ABB http://www.abb.com.br/industries/pt/9AAC171190.aspx
Inmetro http://www.inmetro.gov.br/consumidor/tabelas.asp
http://www.inee.org.br/

21. Fonte: Privatização e eficiência das usinas hidrelétricas brasileiras
Econ. Apl. vol.9 no.3 Ribeirão Preto July./Sept. 2005

22. Máquinas Térmicas
• Máquina de Stirling
– Robert Stirling, 1816
– Ao invés de processo
adiabático
(Carnot), processo a
isocórico (v=cte)
– Ignorada, mas possui
aplicações hoje

23. • Exemplo 1: Uma máquina de Carnot opera
entre temperaturas TQ= 850 K e TF=300 K. A
máquina realiza 1200 J de trabalho em cada
ciclo, que leva 0,25 s. a) Qual a eficiência da
máquina b) Qual a potência média da
máquina

24. • c) Qual é a energia |QQ| extraída na forma de
calor da fonte quente a cada ciclo
• d) Qual é a energia |QF| liberada na forma de
calor para a fonte fria a cada ciclo

25. • e) De quanto varia a entropia da substância de
trabalho devido à energia recebida da fonte
quente e devido à energia cedida a fonte fria

26. • Ciclo Otto

27. Ciclo Otto
Engenheiro alemão Nikolaus
Otto em 1876

28. Máquinas Térmicas
• Ciclo Otto

30. Máquinas Térmicas
• Ciclo Diesel
– Patente em 1893, ao engenheiro alemão Rudolf
Diesel
– Motor a gasolina funciona com a taxa de
compressão que varia de 8:1 a 12:1, no motor
diesel de 15:1 a 25:1.
– Enquanto o motor a gasolina admite (admissão - 1º
tempo) a mistura ar/combustível para o cilindro, o
motor Diesel aspira (aspiração 1º tempo) apenas ar.
– A ignição dos motores a gasolina dá-se a partir de
uma faísca elétrica fornecida pela vela de
ignição antes da máxima compressão na câmara
de explosão (> a 400ºC). Já no motor Diesel
a combustão ocorre quando o combustível é
injetado e imediatamente inflamado pelas elevadas
temperaturas (> a 600ºC) a compressão na câmara
de combustão

31. Refrigeradores
• Dispositivo que utiliza
trabalho para transferir
energia de uma fonte
fria para uma fonte
quente por processos
cíclicos
• Refrigerador ideal Todos os processos
ocorrem sem perdas
(refrigerador de
Carnot)

32. Eficiência refrigerador
(Coeficiente de Desempenho)
Ar-condicionado (K = 2,5) e geladeiras domésticas (K = 5)

33. Refrigeradores
• Geladeira
Antigamente ->

34. Refrigeradores
• Condicionador de ar

36. A Eficiência de Máquinas Térmicas
Reais

37. Visão Estatística da Entropia