Segunda lei da termodinâmica


A segunda lei da termodinâmica possui grande aplicação no estudo de máquinas térmicas e sistemas de energia. Enquanto a primeira lei da termodinâmica diz respeito à conservação de energia, a segunda lei diz respeito à transformação e transferência da energia em forma de calor.

Enunciado da segunda lei da termodinâmica.

termodinâmica

A segunda lei da termodinâmica foi desenvolvida a partir de dois enunciados diferentes, elaborados por cientistas.
O primeiro é o Enunciado de Clausius, que diz:

“O calor não pode fluir, de maneira espontânea, de um corpo de temperatura menor, para outro corpo de temperatura mais alta.”

O segundo é o enunciado de Kelvin-Planck, que afirma:

“É impossível a construção de uma máquina que, operando em um ciclo termodinâmico, converta toda a quantidade de calor recebido em trabalho.”

A partir destes dois enunciados, podemos concluir que um corpo mais frio não irá perder energia em forma de calor para um corpo mais quente. Porém, um corpo mais quente poderá perder energia em forma de calor para um corpo mais frio, até que os dois corpos estejam em equilíbrio. Para que ocorra o inverso, será necessária uma ação externa, que realize trabalho sobre este sistema.

Ao ler o enunciado de Kelvin – Planck, podemos concluir também que, independente da sofisticação da máquina térmica construída, mesmo que o sistema esteja isolado, sempre haverá a perda de uma parte da energia. Em outras palavras, a energia térmica não será totalmente transformada em trabalho.

Assim, podemos interpretar a segunda lei da termodinâmica da seguinte maneira: apenas um corpo de temperatura mais elevada poderá transferir calor para um corpo de temperatura mais baixa. O contrário não é possível sem a ação de um agente externo.

A transferência de calor irá ocorrer até que o sistema entre em equilíbrio térmico. Além disto, não é possível criar uma máquina térmica de movimento contínuo, pois uma parte da energia térmica será transformada em trabalho e outra será perdida. Não é possível transformar a energia totalmente em trabalho.

Equacionamento da segunda lei da termodinâmica

A segunda lei da termodinâmica pode ser expressada matematicamente da seguinte maneira:

Nesta equação, S é a quantidade de entropia do sistema. A igualdade irá existir somente quando a entropia estiver em seu valor máximo.

As máquinas térmicas

A segunda lei da termodinâmica foi desenvolvida a partir da observação do funcionamento das máquinas térmicas.

Máquinas térmicas são máquinas que funcionam a partir da transformação do calor em trabalho, que também podemos chamar de energia mecânica. Pense nas primeiras máquinas a vapor da revolução industrial. A água era aquecida até 100°C, passando para o vapor. Este vapor movimentava o pistão da máquina, que estava a uma temperatura mais baixa. A partir deste movimento, a energia térmica gerada pelo aquecimento da água foi transforma em energia mecânica (trabalho), possibilitando o funcionamento mecânico das máquinas das primeiras indústrias.

Deste modo, podemos calcular a quantidade de trabalho da máquina térmica com a seguinte equação:

Onde Q1 é a quantidade de calor fornecida e Q2 é a quantidade de calor que foi perdida.

Podemos calcular o rendimento desta máquina térmica. O rendimento é a relação entre a energia térmica fornecida e a energia de trabalho gerada. Assim, termos a seguinte equação:

Os valores de rendimento variam de zero a hum. Zero é para uma máquina sem nenhum rendimento, ou seja, uma máquina que está parada. O valor 1 é um valor hipotético, para uma máquina com total rendimento. Se for preciso conhecer o valor do rendimento em números percentuais, basta multiplicar por 100 o resultado encontrado.

O engenheiro francês Nicolas Carnot desenvolveu um modelo teórico de uma máquina térmica para comprovar que não era possível o rendimento total. Este processo foi chamado de ciclo de Carnot. Por este modelo, Carnot comprovou não ser possível uma máquina com total rendimento, pois seria necessário usar o zero absoluto.

Aplicações da segunda lei da termodinâmica

Embora possa parecer algo distante de nossas atividades cotidianas, a segunda lei da termodinâmica está presente em várias máquinas que utilizamos. Pense em uma freada brusca de uma bicicleta. Se você encostar a mão nos pneus próximos ao chão, irá perceber que foi gerado calor através do atrito. Ou seja, você transformou a energia mecânica de sua bicicleta em calor. Agora, será que é possível utilizar este calor para colocar a bicicleta em movimento novamente? A resposta é não, pois não é possível reverter esta transformação, assim como ocorre nas máquinas térmicas.

Outro ponto que pode ser confuso em relação a segunda lei da termodinâmica é o princípio de que um corpo mais frio não cede calor para um corpo mais quente. Porém, se lembrarmos dos refrigerados, veremos que é isto que acontece. Não exatamente. Nestes sistemas, a troca de calor não é espontânea. Existe a ação de um agente externo, no caso, o motor do refrigerador.