Ciclos e Segundo Princípio

Ciclos e Segundo Princípio
Trabalho e calor são equivalentes no que respeita a
alterarem a energia interna de um sistema (1º Princípio).
Mas...
Trabalho e calor não se transformam um no outro da mesma
maneira, em processos cíclicos
(assimetria entre a conversão de trabalho em calor e de
calor em trabalho).
Definição de algumas expressões utilizadas
Móvel Perpétuo de Primeira Espécie → sistema que viola o
Primeiro Princípio da Termodinâmica, criando a sua própria energia a partir
do nada.
Móvel Perpétuo de Segunda Espécie → sistema que viola o
Segundo Princípio da Termodinâmica, convertendo integralmente calor de
uma única fonte em trabalho ou transportando calor integralmente de uma
fonte fria para uma fonte quente.
Fonte de calor (ou Reservatório de calor) → Sistema que
interage com outros fornecendo ou absorvendo calor, sem que dessa
interacção resulte uma variação significativa da sua temperatura ou de outra
qualquer das suas coordenadas termodinâmicas. Quer dizer que a sua
capacidade térmica é práticamente infinita. Os melhores exemplos são os de
sistemas com massa muito elevada.
Ciclo de Joule
É possível transformar integralmente trabalho em calor
num processo cíclico.
Trabalho fornecido
ao sistema
Calor cedido à fonte fria
(ou sumidouro de calor)
Ciclo de Mayer modificado
É impossível um processo cíclico cujo único resultado seja a absorção de
calor de uma fonte quente (ou fonte de calor) e a conversão desse calor
em trabalho → Enunciado de Kelvin-Planck do Segundo Princípio da
Termodinâmica
Processo
processos isotérmicos
Q
W
∆U
Fonte quente
ab
<0
>0
<0
bc
Q1
<0
>0
0
cd
>0
<0
>0
Máquina
térmica
da
>0
<0
0
|Q1| -|Q2|
W
0
ciclo
Q2
Fonte fria
W
A 2ª Lei da Termodinâmica dá conta da assimetria em processos de
transferência de energia. Essa assimetria pode ser posta em evidência
notando que determinadas transformações são espontâneas ao passo
que as transformações inversas não o são.
Todas essas transformações são simétricas no que respeita à
conservação da energia. Como veremos adiante, a quebra de simetria
está relacionada com a diferença no sinal algébrico da variação da
entropia do universo.
Enunciados do Segundo Princípio da Termodinâmica
Enunciado de Kelvin-Planck
É impossível construir uma máquina que, operando ciclicamente,
tenha como único efeito a extracção de calor de uma fonte de calor
e a realização de trabalho equivalente.
Pode-se construir:
Fonte quente
Fonte quente
Q
Q1
Máquina
térmica
W=Q
Rendimento da
máq. térmica
η=
W
Q1
=
Q1 − Q2
W
Q2
Fonte fria
Q1
N.B.: há processos em que calor fornecido ao sistema é convertido integralmente em
trabalho, mas não são processos cíclicos (o estado final do sistema é diferente do
estado inicial).
Ex: expansão quase-estática e isotérmica de um gás ideal
Enunciado de Clausius
É impossível construir uma máquina que, operando ciclicamente, tenha
como único efeito a transferência de calor de uma fonte fria para uma
fonte quente.
Pode-se construir:
Fonte quente
Fonte quente
Q
Q1
Máquina
frigorífica
Q
Q2
Fonte fria
Fonte fria
Eficiência da
máq. frigorífica
µ=
Q2
W
=
Q2
Q1 − Q2
W
A equivalência dos enunciados de
Kelvin-Planck (KP) e de Clausius (C)
KP ⇔ C
significa que
 KP

C
ou,
 − KP
alternativamente, − C

⇒C
Fonte quente
Fonte quente
⇒ KP
⇒ −C
M
F
Sistema composto
⇒ − KP
Fonte fria
Fonte quente
F
M
Fonte fria
Fonte fria
Fonte quente
Sistema
composto
Fonte fria