capítulo 3 a segunda lei da...
TRANSCRIPT
![Page 1: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/1.jpg)
Capítulo 3 – A Segunda Lei da Termodinâmica
1
3.1 – Enunciados da Lei3.2 – Máquinas Térmicas3.3 – Escalas de Temperaturas Termodinâmicas3.4 – Entropia3.5 – Variações da Entropia de um Gás Ideal3.6 – A Terceira Lei da Termodinâmica
![Page 2: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/2.jpg)
Objetivos
• Como os princípios de conservação de massa e de energia nem sempre são suficientes para a análise de sistemas, faz-se necessário introduzir a Segunda Lei da Termodinâmica;
2
![Page 3: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/3.jpg)
Troca de calor espontânea• Um objeto a uma temperatura elevada Ti é colocado em
contato com o ar atmosférico à To < Ti ;
3
Com o tempo ele trocacalor com a atmosfera
E no final atingirá atemperatura das vizinhanças
Apesar da energia total do sistema ser conservada,o processo inverso não ocorre espontaneamente
![Page 4: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/4.jpg)
Processos espontâneos
4
Expansão espontânea
Massa em queda
![Page 5: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/5.jpg)
A Direção dos Processos• Nos exemplos anteriores percebe-se que a lei da
conservação é respeitada, porém não é possível realizar espontaneamente os processos inversos, para isso seria necessário um dispositivo auxiliar;
• Quando se utiliza a Segunda Lei da Termodinâmica é possível determinar as direções preferenciais de um processo, assim como o estado final do equilíbrio de uma interação de energia.
5
![Page 6: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/6.jpg)
O Trabalho Máximo que pode ser obtido num Processo
• A segunda lei é capaz de avaliar qual o máximo
trabalho teórico que seria possível de se obter de sistemas em desequilíbrio;
• E como não existe um aproveitamento perfeito, a Segunda Lei também torna possível a avaliaçãodos fatores de perda de oportunidades de realizar trabalho.
6
![Page 7: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/7.jpg)
Aspectos da Segunda Lei da TD
Prever a direção dos processos,
Estabelecer as condições de equilíbrio,
Determinar o melhor desempenho teórico de sistemas
Avaliar fatores de perda ou rendimento
7
![Page 8: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/8.jpg)
Definições da Segunda Lei
• O Estudo da Segunda Lei da Termodinâmica remonta às primeiras décadas do século XIX.
• Há vários enunciados da 2ª Lei.
• São baseados em observações experimentais.
• Importantes:
Enunciado de Clausius
Enunciado de Kelvin-Planck
8
![Page 9: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/9.jpg)
Enunciado de Clausius da 2ª Lei
• É impossível para qualquer sistema operar de maneira que o único efeito seja uma transferência de energia sob a forma de calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente.
9
Frio Quente
SIM !
NÃO !
Q
![Page 10: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/10.jpg)
Analisando o enunciado de Clausius
• O enunciado de Clausius não excluí a possibilidade da transferência de calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente (isso ocorre nos refrigeradores).
• Entretanto as palavras “único efeito” sugerem que isso possa ocorrer, desde que seja fornecida energia (trabalho) ao sistema.
W
10
Frio Quente
Q
![Page 11: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/11.jpg)
Conceito de Reservatório Térmico
• Reservatório Térmico → É um sistema idealizado, onde a temperatura permanece constante mesmo que energia, na forma de calor, seja adicionada ou removida;
• Exemplos: atmosfera terrestre, oceanos, lagos, substâncias mudando de fase, ...
11
![Page 12: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/12.jpg)
Enunciado de Kelvin-Plank da Segunda Lei
• É impossível para qualquer sistema operar em um ciclo termodinâmico e fornecer uma quantidade “líquida” de trabalho para as suas vizinhanças, enquanto recebe energia, por transferência de calor, de um único reservatório térmico.
12
Reservatório térmico
Qciclo
Wciclo
Sistema percorrendo umciclo termodinâmico
NÃO !
![Page 13: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/13.jpg)
Explicando o enunciado de Kelvin-Plank
• Pela Primeira Lei:
• Pelo enunciado de Kelvin-Plank:
• Finalmente:
ciclo cicloW Q
0cicloW
13
0cicloQ
![Page 14: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/14.jpg)
Identificando Irreversibilidades• Um processo é chamado irreversível se o sistema
e todas as partes que compõem suas vizinhançasnão puderem ser restabelecidos exatamente aos seus respectivos estados iniciais após a ocorrência do processo;
• Um processo é reversível se tanto o sistema quanto suas vizinhanças puderem retornar aos seus estados iniciais.
14
![Page 15: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/15.jpg)
Tipos e exemplos de Irreversibilidades• Irreversibilidades internas são aquelas que ocorrem
dentro do sistema;
• Irreversibilidades externas são aquelas que ocorrem nas vizinhanças (fora do sistema);
• São exemplos de irreversibilidades:
– Transferência de calor através de uma diferença de temperatura;– Expansões não resistidas;– Reações químicas espontâneas;– Misturas espontâneas;– Atrito;– Fluxo de corrente elétrica;– Magnetização ou polarização por histerese;– Deformação inelástica.
15
![Page 16: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/16.jpg)
Demonstrando Irreversibilidades
• Faz-se uso da seguinte metodologia:
– Supõem-se que há uma maneira de retornar o sistema e suas vizinhanças a seus respectivos estados iniciais;
– Mostra-se que, como conseqüência dessa hipótese, seria possível imaginar um sistema que produzisse trabalho enquanto nenhum outro efeito ocorresse, além de uma transferência de
calor de um único reservatório térmico.
16
![Page 17: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/17.jpg)
Interpretação do enunciado de Kelvin-Plank
• Considere que no sistema da figura não existem irreversibilidades, logo o sistema retorna ao seu estado inicial ao final de um ciclo;
• Já que Wciclo= 0 (para não violar a segunda lei), não haveria variação líquida na altura da massa;
• Já que Wciclo= Qciclo, segue-se que Qciclo= 0, logo não haveriavariação líquida nas condições do reservatório térmico.
17
Sistema
percorrendo um
ciclo enquanto
troca energia
(calor) com um
único RT.
RT é livre de
irreversibilidades.
O Sistema massa-
polia também.
![Page 18: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/18.jpg)
Conclusões do Enunciado de Kelvin-Plank
• Para sistemas executando um ciclo, sem irreversibilidades:
• Para sistemas executando um ciclo, com irreversibilidades:
0cicloW
0cicloW
18
![Page 19: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/19.jpg)
Eficiência de Ciclos de Potência
• Se não houvesse a transferência de calor para o reservatório frio, a eficiência seria de 100%;
• Porém, sem o reservatório frio viola-se o enunciado de Kelvin-Plank;
• Decorre daí um corolário de Carnot, que diz: todos os ciclos de potência têm eficiência menor que 100%.
1ciclo C
H H
W Q
Q Q
19
Sistema percorrendoum ciclo de potência
Eficiência térmica do ciclo
![Page 20: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/20.jpg)
Corolários de Carnot para Ciclos de Potência
• A eficiência térmica de um ciclo de potência irreversível é sempre menor do que a eficiência térmica de um ciclo de potência reversívelquando cada um opera entre os mesmos dois reservatórios térmicos;
• Todos os ciclos de potência reversíveis operando entre os mesmos dois reservatórios térmicospossuem a mesma eficiência térmica;
20
![Page 21: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/21.jpg)
Eficiência de Refrigeração/ Bomba de Calor
• Se não houvesse a necessidade do fornecimento de trabalho ao ciclo, os coeficientes de desempenho seriam infinitos;
• Porém sem o fornecimento de trabalho teríamos a violação do enunciado de Clausius;
• Segue daí um Corolário, que diz: todos os ciclos de refrigeração/ bomba de calor tem desempenho finito.
C C
ciclo H C
H H
ciclo H C
Q Q
W Q Q
Q Q
W Q Q
21
Sistema percorrendo um ciclo derefrigeração/ bomba de calor
Eficiência térmica
Refrigeração
Bomba de Calor
![Page 22: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/22.jpg)
Corolários para Refrigeração/ Bomba de calor
• O coeficiente de desempenho de um ciclo de refrigeração irreversível é sempre menor do que o coeficiente de desempenho de um ciclo de refrigeração reversívelquando cada um opera entre os mesmos reservatórios térmicos;
• Todos os ciclos de refrigeração reversíveis operando entre os mesmos dois reservatórios térmicos possuem o mesmo coeficiente de desempenho;
• O mesmo vale substituindo o termo Refrigeração por Bomba de calor.
22
![Page 23: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/23.jpg)
Escalas de Temperaturas Termodinâmicas
23
![Page 24: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/24.jpg)
Eficiência Máxima• Para ciclos de potência:
1 Cmáx
H
T
T
24
Eficiência de Carnot
para TC=298K
De a para b: pequeno aumento emTH , grande aumento na eficiência
Maior que b: torna-se muito oneroso aumentar a eficiência
![Page 25: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/25.jpg)
Coeficiente de máximo desempenho
• Para ciclos de refrigeração:
• Para bombas de calor:
Cmáx
H C
T
T T
Hmáx
H C
T
T T
25
![Page 26: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/26.jpg)
Ciclo de Carnot• É um sistema que executa um ciclo em uma série de
quatro processos internamente reversíveis: dois processos adiabáticos alternados com dois processos isotérmicos.
26
Ciclo de potência Carnot Ciclo de refrigeração/bomba de calor Carnot
![Page 27: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/27.jpg)
Ciclo de potência
27
1-2: Compressão adiabática até 2, onde temperatura é Th;2-3: Expansão isotérmica, recebendo energia do reservatório quente à Th;3-4: Expansão adiabática até a temperatura cair para Tc;4-1: Compressão isotérmica, cedendo energia ao reservatório frio à Tc.
![Page 28: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/28.jpg)
Ciclo de Potência em Cilindro-Pistão
28
![Page 29: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/29.jpg)
Ciclo de Potência de Carnot à Vapor
29
![Page 30: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/30.jpg)
Ciclo de Refrigeração/ Bomba de Calor
30
1-2: Expansão isotérmica, recebendo energia do reservatório frio à Tc;2-3: Compressão adiabática até atingir temperatura Th;3-4: Compressão isotérmica, cedendo energia ao reservatório quente à TH;4-1: Expansão adiabática até a temperatura cair para Tc.
![Page 31: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/31.jpg)
Ciclo de Refrigeração/ Bomba de Calor
31
Trabalho líquido fornecido ao ciclo
![Page 32: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/32.jpg)
A 3ª Lei da Termodinâmica
“Uma substância pura e cristalina na temperatura do zero absoluto possui ENTROPIA igual a zero”
32
![Page 33: Capítulo 3 A Segunda Lei da Termodinâmicasistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1488970/TDQA1/Capitulo 3 - A... · Capítulo 3 –A Segunda Lei da Termodinâmica 1 3.1 –Enunciados](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062505/5c031ac409d3f203258c24e6/html5/thumbnails/33.jpg)
LISTA 3 - Capítulo 3: A 2ª Lei da Termodinâmica
• Parte A:
• Resumo do capítulo 7 do livro de Introdução à Termodinâmica para a Engenharia – Sonntag & Borgnakke (disponibilizado em 3 pdfs na página da Profª Marivone como “Cap 3 – livro A 2ª Lei da TD – parte 1” , parte 2 e parte3)
• Parte B:
• Resolva os seguintes exercícios do Cap.7 do livro acima
• 7.6
• 7.12
• 7.15
• 7.27
• 7.48
33