Capítulo 6 A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Objetivos •
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Apresentar a segunda lei da termodinâmica. termodinâmica. Identificar como processos válidos aqueles que atendem à primeira lei e à segunda lei da termodinâmica. Definir reservatórios de energia térmica, processos reversíveis e irreversíveis, máquinas térmicas, refrigeradores refrigeradores e bombas de calor. Apresentar os enunciados de Kelvin Planck e de Clausius para a segunda lei da termodinâmica. Discutir o conceito de moto-contínuo. Aplicar a segunda lei da termodinâmica para ciclos e dispositivos cíclicos. Aplicar a segunda lei da termodinâmica para definir definir a escala termodinâmica de temperatura. Descrever o ciclo de Carnot. Examinar os princípios de Carnot, as máquinas térmicas idealizadas de Carnot, refrigerador e bombas de calor. Determinar a expressão da eficiência térmica de máquinas térmicas reversíveis e do coeficiente performance de bombas de calor e refrigeradores. –
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6-1 INTRODUÇÃO À SEGUNDA LEI Uma xícara de café quente não fica mais quente dentro de uma sala fria.
Transferir calor para uma roda de pás não faz com que ela roda.
Transferir calor para um fio elétrico não gera eletricidade.
Estes processos não podem ocorrer mesmo que eles não violem a primeira lei. 3
Processos ocorrem naturalmente em uma determinada direção mas não da direção oposta. Para ocorrer, um processo deve obedecer à primeira lei e a segunda lei da termodinâmica.
PRINCIPAIS USOS DA LEI SEGUNDA 1. A segunda lei pode ser utilizada para identificar a direção dos processos. 2. A segunda lei também afirma que a energia tem qualidade assim como a quantidade . A primeira lei está preocupado com a quantidade de energia e as transformações de energia de uma forma para outra sem ter em conta a sua qualidade. A segunda lei proporciona os meios necessários para determinar a qualidade, bem como o grau de degradação de energia durante um processo. 3. A segunda lei da termodinâmica é também utilizado na determinação do limite teórico para o desempenho dos sistemas de engenharia comumente utilizados, tais como máquinas térmicas e refrigeradores, bem como prever o grau de conclusão de reações químicas.
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6-2 RESERVATÓRIOS DE ENERGIA TÉRMICA
Uma fonte fornece energia na forma de calor e um sumidouro a absorve.
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Corpos com massas térmicas relativamente grandes podem ser modelados como reservatórios de energia térmica. Um corpo hipotético com uma capacidade de energia térmica (massa x calor específico) relativamente grande, que pode fornecer ou absorver quantidades finitas de calor sem sofrer qualquer mudança na temperatura é chamado de reservatório de energia térmica, ou apenas reservatório. Na prática, grandes massas de água, como oceanos, lagos e rios, assim como o ar atmosférico pode ser modelado com precisão como reservatórios de energia térmica por causa de suas capacidades de armazenamento de 5 energia térmica ou grandes massas térmicas.
6-3 MÁQUINAS TÉRMICAS Dispositivos que convertem calor em trabalho. 1. Recebem calor de uma fonte quente (energia solar, aquecedor a óleo, reator nuclear, etc). 2. Converte parte deste calor em trabalho (em geral, na forma de O trabalho sempre uma eixo rotativo.) pode ser convertido 3. Rejeitam o restante do calor para em calor de forma um sumidouro à baixa direta e completa, temperatura (a atmosfera, rios, mas o inverso não etc.). é verdadeiro. 4. Operam em ciclo. Parte do calor Máquinas térmicas e outros recebido por uma dispositivos cíclicos utilizam um máquina térmica é fluido a partir de e para o qual convertida em calor é transferido enquanto sofre trabalho, enquanto o um ciclo . Este fluido é chamado restante é rejeitado o fluido de trabalho. para um sumidouro. 6
Uma usina de potência a vapor
Uma parte do trabalho produzido por uma máquina térmica é consumida internamente para manter uma operação contínua.
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Eficiência térmica
Esquema de uma máquinas térmica.
Algumas máquinas térmicas tem um desempenho melhor do que outras (convertem mais do calor que recebem em trabalhar ) .
Mesmo as máquinas térmicas mais eficientes rejeitam quase metade da energia que recebem na forma de calor 8
Podemos economizar Q out?
Um ciclo de uma máquina térmica não pode ser concluída sem rejeitar um pouco de calor para um sumidouro de baixa temperatura.
Cada máquina térmica deve perder um pouco de energia, transferindo-o para um reservatório de baixa temperatura a fim de completar o ciclo, mesmo sob condições idealizadas.
Em uma usina de vapor, o condensador é o dispositivo que rejeita grandes quantidades de calor em rios, lagos ou atmosfera. Não poderíamos simplesmente remover o condensador da usina e utilizar toda essa energia rejeitada? A resposta é, infelizmente, um não retumbante, pela simples razão de que, sem um processo de rejeição de calor em um condensador, o ciclo não pode ser concluído. 9
A segunda lei da termodinâmica: enunciado de Kelvin –Planck É impossível para qualquer dispositivo que opera em um ciclo receber o calor de um único reservatório e produzir um valor líquido de trabalho. Nenhuma máquina térmica pode ter uma eficiência térmica de 100%, ou para uma usina de potência funcionar, o fluido de trabalho deve trocar calor com a fornalha e também com o ambiente.
A impossibilidade de ter uma máquina térmica com eficiência de 100 % não é devido ao atrito ou outros efeitos dissipativos. É uma limitação que se aplica tanto a máquinas térmicas idealizadas quanto à reais.
Uma máquina térmica que viola o enunciado de Kelvin Planck da segunda lei da termodinâmica. –
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6-4 REFRIGERADORES E BOMBAS DE CALOR A transferência de calor de um meio de baixa temperatura para um de alta temperatura requer dispositivos especiais chamados refrigeradores. Refrigeradores, como máquinas térmicas, são dispositivos cíclicos. O fluido de trabalho utilizado no ciclo de refrigeração é chamado de refrigerante. Ciclo de refrigeração usados com mais frequência é o ciclo de refrigeração por compressão. Em um refrigerador do agregado familiar, o compartimento do congelador, onde o calor é absorvido pelo fluido refrigerante serve como o evaporador, e as bobinas geralmente atrás da geladeira onde o calor é dissipado para o ar da •
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Componentes básicos de um sistema de refrigeração e condições típicas de operação.
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Coeficiente de Performance A eficiência de um refrigerador é expressa em termos de coeficiente de performance (COP). O objetivo de um refrigerador é remover o calor (QL) do espaço refrigerado.
O objetivo de um refrigerador é remover QL do espaço refrigerado
O valor de COPR PODE ser maior do que a unidade 12
O objetivo de Bomba uma bomba de de calor é fornecer calor Calor QH para o espaço mais quente. O trabalho fornecido a uma bomba de calor é usado para extrair energia do exterior frio e carregá-lo para o quente dentro de casa.
para valores fixos de QL e QH
O valor de COPHP pode ser menor do que a unidade? 13
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Quando instalado, para trás, um condicionador de ar funciona como uma bomba de calor.
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A maioria das bombas de calor em operação hoje tem um COP médio sazonal de 2 a 3. A maioria das bombas de calor existentes usam o ar frio externo como a fonte de calor durante o inverno. Em climas frios, sua eficiência cai consideravelmente quando as temperaturas estão abaixo do ponto de congelamento da água. Em tais casos, as bombas de calor geotérmicas, que utilizam o solo como a fonte de calor. A instalação dessas bombas de calor são mais caras, mas elas também são mais eficientes (até 45% mais eficientes que as bombas de aquecimento de fonte no ar). Condicionadores de ar são basicamente refrigeradores cujo espaço refrigerado é uma sala ou um prédio em vez do compartimento de alimentos. O COP de um refrigerador diminui com a diminuição da temperatura de refrigeração. Portanto, não é econômico refrigerar a uma 14
A segunda lei da termodinâmica: enunciado de Clasius É impossível construir um dispositivo que opera em um ciclo e não produz nenhum efeito que não seja a transferência de calor de um corpo de baixa temperatura para um corpo de temperatura mais elevada. Ele afirma que um refrigerador não pode operar a menos que seu compressor é impulsionado por uma fonte de alimentação externa, como um motor elétrico.
Desta forma, o efeito líquido sobre os arredores envolve o consumo de energia na forma de trabalho para a transferência de calor de uma fonte fria para uma fonte quente. Até à data, nenhuma experiência foi conduzida que contradiz a segunda lei, e isto deve ser tomado como prova suficiente de sua validade.
Um refrigerador viola o enunciado de Clausius da segunda lei.
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Equivalência dos dois enunciados
Prova de que a violação da instrução de Kelvin-Planck leva à violação da instrução de Clausius. Os enunciados de Kelvin-Planck e Clausius são equivalentes em suas consequências, e qualquer enunciado pode ser usada como a expressão da segunda lei da termodinâmica. Qualquer dispositivo que viola o enunciado de Kelvin-Planck também viola o enunciado de Clausius e vice-versa. 16
6-5 MOTO-CONTÍNUO
Moto-contínuo que viola a segunda lei da termodinâmica Moto-contínuo que viola a (PMM2). primeira lei (PMM1). Moto-contínuo: qualquer dispositivo que viola a primeira ou a segunda lei. Um dispositivo que viola a primeira lei (criando energia) é chamado de moto-contínuo de primeira espécie (PMM1). Um dispositivo que viola a segunda lei é chamado de moto-contínuo de segunda espécie (PMM2). Apesar das inúmeras tentativas, não há registro histórico de alguma máquina desta natureza tenha funcionado. Mas, como diz o ditado, se algo parece muito bom para 17
6-6 PROCESSOS REVERSÍVEIS E IRREVERSÍVEIS Processo reversível: um processo que pode ser revertido sem deixar nenhum vestígio sobre a vizinhança. Processo irreversível: um processo que não é reversível. •
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Dois processos reversíveis
Todos os processos que ocorrem na natureza são irreversíveis. Por que estamos interes s ados em process os reversíveis?
(1) eles são fáceis de analisar e (2) servem como modelos idealizados (limites teóricos) para que os processos reais possam ser comparados. Alguns processos são mais irreversíveis do que outros. Nós tentamos aproximar processos reversíveis. Por que?
Os processos reversíveis fornecem o máximo e consomem o mínimo de trabalho
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O atrito resulta em um processo irreversível.
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Os fatores que fazem um processo ser irreversível são chamados de irreversibilidades. Eles incluem o atrito, expansão desenfreada, mistura de dois fluidos, transferência de calor através de uma diferença finita de temperatura, resistência elétrica, deformação inelástica de sólidos e reações químicas. A presença de qualquer um destes efeitos processa um processo irreversível.
Irreversibilidade (a) transferência de calor através de uma diferença de temperatura é irreversível, e (b) o processo inverso é impossível. Processos de compressão e expansão irreversíveis. 19
Processos internamente e externamente reversíveis •
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Processo internamente reversível: se nenhuma irreversibilidade ocorre dentro dos limites do sistema durante o processo. Externamente reversível: se nenhuma irreversibilidade ocorrem fora dos limites do sistema. Processo totalmente reversível: se não existe nenhuma irreversibilidade dentro do sistema ou em sua vizinhança. Um processo totalmente reversível não envolve nenhuma transferência de calor através de uma diferença de temperatura finita, sem variação de não-equilíbrio e sem atrito ou outros efeitos dissipativos.
Um processo reversível não apresenta nenhuma irreversibilidade interna e externa.
Processos de transferência de calor totalmente e internamente reversíveis.
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6-7 O CICLO DE CARNOT Execução do ciclo de Carnot em um sistema fechado. Expansão isotérmica reversível (processo 1-2, T H = constante) Expansão adiabática reversível (processo 2-3, quedas de temperatura de T H para TL) Compressão isotérmica reversível (processo 3-4, T L = constante) Compressão adiabática reversível (processo 4-1, temperatura sobe de T L para TH) 21
Diagrama P-V do ciclo de Carnot.
Diagrama P-V do ciclo de Carnot de refrigeração.
O ciclo de Carnot de refrigeração O ciclo de máquina térmica de Carnot é um ciclo totalmente reversível. Portanto, todos os processos que integram podem ser revertidos, caso em que se torna o ciclo de Carnot de
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6-8 OS PRINCÍPIOS DE CARNOT
Os princípios de Carnot.
Prova do primeiro princípio de Carnot.
1. A eficiência de uma máquina térmica irreversível é sempre menor que a eficiência de uma reversível operando entre os mesmos dois reservatórios. 2. As eficiências de todas as máquinas térmicas reversíveis operando entre os mesmos dois reservatórios são as mesmas. 23
6-9 A ESCALA DE TEMPERATURA TERMODINÂMICA
Todos as máquinas térmicas reversíveis operando entre os mesmos dois reservatórios têm a mesma eficiência.
Uma escala de temperatura que é independente das propriedades das substâncias que são usadas para medir a temperatura chama-se escala de temperatura termodinâmica. Uma escala de temperatura oferece conveniências grandes em cálculos termodinâmicos. A disposição das máquinas térmicas usado para desenvolver a escala de temperatura termodinâmica.
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Esta escala de temperatura chama-se a escala de Kelvin, e as temperaturas nesta escala são chamadas de temperaturas absolutas.
Para ciclos reversíveis, a razão entre as quantidades de transferência de calor QH /QL pode ser substituída pela razão entre as temperaturas absolutas T /T
Uma instalação experimental conceitual para determinar temperaturas termodinâmicas na escala Kelvin por meio da medição das quantidades de calor QH e QL. 25
6-10 A MÁQUINA TÉRMICA DE CARNOT
Qualquer máquina térmica
A máquina térmica de Carnot é o mais eficiente de todas as máquinas térmicas operando entre os mesmos reservatórios de alta e Nenhuma máquina térmica pode ter uma baixa eficiência mais elevada do que uma temperatura. máquina térmica reversível operando entre os mesmos reservatórios de alta e Máquina baixa temperatura. térmica de Carnot 26
A qualidade da energia
Podemos usar a unidade de ºC para a temperatura mostrada? A fração do calor que pode ser convertido em trabalho como função da temperatura da fonte.
Quanto maior a temperatura da energia térmica, maior sua qualidade.
Como você aumentaria a eficiência térmica de uma máquina térmica de Carnot? Que tal para uma máquina térmica real?
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6-11 A BOMBA DE CALOR E O REFRIGERADOR Qualquer refrigerador ou DE CARNOT bomba de calor
Bomba de calor e refrigerador de Carnot
A geladeira não pode ter um COP maior do que um refrigerador reversível operando entre os mesmos limites de temperatura.
Como você aumentaria o COP de uma bomba de calor ou refrigerador de Carnot? Que tal para os reais?
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Summary •
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Introduction to the second law Thermal energy reservoirs Heat engines Thermal efficiency The 2nd law: Kelvin-Planck statement Refrigerators and heat pumps Coefficient of performance (COP) The 2nd law: Clasius statement Perpetual motion machines Reversible and irreversible processes Irreversibilities, Internally and externally reversible processes The Carnot cycle The reversed Carnot cycle The Carnot principles The thermodynamic temperature scale The Carnot heat engine The quality of energy The Carnot refrigerator and heat pump
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