2ª Lei da Termodinâmica

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2° LEI DA TERMODINÂMICA
PROF: GABRIELA DEIRÓ
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
 Limitações da 1ª Lei da Termodinâmica:
• Não indicam a direção em que os processos espontâneos ocorrem;
• Não diferenciam qualitativamente trabalho e calor - trabalho pode ser transformado em outra forma de
energia com eficiência de quase 100%, mas apenas 40% de calor é transformado em trabalho.
 2ª Lei: Espontaneidade e Equilíbrio:
• Impõe restrições quanto ao sentido espontâneo (sem intervenção externa) das transformações
energéticas, estabelece condições para o equilíbrio, determina melhor desempenho teórico dos ciclos,
avaliam fatores que impedem melhor nível de desempenho teórico
 Sentido Espontâneo: Mudança que leva a uma dispersão caótica maior da energia total de um sistema
isolado (conclusão baseada em observações dos fenômenos naturais);
ENUNCIADOS DA 2ª LEI DA TERMODINÂMICA
Há diversas formulações da 2a lei da termodinâmica, aparentemente diferentes mas logicamente equivalentes. Estas
formulações conduzem ao conceito de entropia.
Enunciado de Kelvin e Planck:
Eficiência: É impossível uma máquina térmica com rendimento 100%
“Nenhum equipamento num processo cíclico pode operar de modo que o único efeito
produzido é a conversão completa de calor em trabalho.”
ENUNCIADOS DA 2ª LEI DA TERMODINÂMICA
Há diversas formulações da 2a lei da termodinâmica, aparentemente diferentes mas logicamente equivalentes. Estas
formulações conduzem ao conceito de entropia.
Enunciado de Clausius:
Espontaneidade: É impossível construir um refrigerador que opere sem receber energia (trabalho).
“Qualquer processo que consista somente da transferência de calor de uma fonte mais fria
para uma mais quente é impossível”
ENUNCIADOS DA 2ª LEI DA TERMODINÂMICA
Um processo real se aproxima de um processo ideal reversível:
 se ele for lento,
 sofrer transformações infinitesimais, com um mínimo de atrito.
Todos os processos reais são IRREVERSÍVEIS.
Se os processos do ciclo são ditos reversíveis, o ciclo também será reversível.
É o rendimento do ciclo ideal reversível.!
Qual o máximo rendimento possível? 
ENUNCIADOS DA 2ª LEI DA TERMODINÂMICA
Processo Irreversíveis: O trabalho em processos irreversíveis é calculado em duas etapas:
• Cálculo do trabalho mecanicamente reversível que efetua a mesma mudança de estado;
• O trabalho reversível é multiplicado por uma eficiência para fornecer o trabalho irreversível.
• Trabalho efetuado pelo sistema: Máquina Motriz
• Trabalho efetuado sobre sistema: Máquina Operatriz
Real Irrev
Ideal Rev
W W
W W
  
Ideal Rev
Real Irrev
W W
W W
  
ENUNCIADOS DA 2ª LEI DA TERMODINÂMICA
MáquinasTérmicas
São sistemas que, operando de forma cíclica, realizam a conversão de calor ou energia térmica em trabalho mecânico
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖ê𝑛𝑐𝑖𝑎:
𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑝𝑟𝑒𝑡𝑒𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎
𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑔𝑎𝑠𝑡𝑎
=
𝑊
𝑄𝑄
ENUNCIADOS DA 2ª LEI DA TERMODINÂMICA
Refrigerador e Bomba de calor
É uma máquina que opera segundo um ciclo TD recebendo trabalho (potência) e retirando calor da fonte fria
(reservatório de baixa temperatura) e fornecendo calor para a fonte quente (reservatório de alta temperatura).
bomba de calor - interesse no calor transferido à fonte quente.
refrigerador - interesse no calor recebido da fonte fria.
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖ê𝑛𝑐𝑖𝑎:
𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑝𝑟𝑒𝑡𝑒𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎
𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑔𝑎𝑠𝑡𝑎
=
𝑄𝐹
𝑊
ENUNCIADOS DA 2ª LEI DA TERMODINÂMICA
A máquina de Carnot: Máquina térmica descrita por Sadi Carnot que opera de uma forma completamente
reversível onde todo calor absorvido é absorvido no reservatório quente e todo calor rejeitado é rejeitado no
reservatório frio .
Corolários de Carnot:
• A eficiência térmica de um ciclo de potência real é sempre menor que a eficiência térmica de um ciclo reversível
(máxima eficiência possível) operando entre as mesmasTH e TC
• Ciclos térmicos reversíveis que operem entre os mesmos reservatórios térmicos têm a mesma eficiência
térmica independente do fluido.
irrevrev  
ENUNCIADOS DA 2ª LEI DA TERMODINÂMICA
Eficiência de Carnot:
1
2
1
21 1
T
T
-
T
TT


 ou 
Ciclo de Refrigeração:
FQ
F
QQ
Q


21
2
TT
T
max


Bomba de Calor:
FQ
Q
QQ
Q


21
1
TT
T
max


ENTROPIA
0 T
Qrevd Num ciclo a variação de qualquer propriedade é
nula. Assim, Q/T é uma propriedade de estado
ENTROPIA
Entropia:
• “Propriedade intrínseca de um sistema que aumenta quando um sistema recebe calor e diminui quando
perde calor.Assim,ΔS dá uma indicação do sentido e da intensidade do fluxo de calor.”
• A entropia é uma medida do grau de desordem da matéria e da energia.
• Processos adiabáticos reversíveis tem variação de entropia igual a zero (isentrópicos)
• A entropia é uma função de estado, sendo uma medida conveniente da perda de capacidade do sistema
para produzir trabalho.
• Nem todos os processos adiabáticos são processos isentrópicos, somente aqueles de quase-equili ́brio.
 






2
1
12
revT
Q
SSS

ENTROPIA
Estudos posteriores desenvolvidos por Clausius demonstraram que, para ciclos irreversíveis, tem-se:
Para processos irreversíveis a variação da entropia do sistema se dá não só pela transferência de calor entre sistema
e vizinhanças como também pela presença das irreversibilidades inerentes ao sistema.
0
d
 T
Q
para todos os ciclos irreversíveis
T
dQ
dSirrev  desigualdades de Clausius
ENTROPIA
 Qualquer processo evolui no sentido do aumento da entropia total (sistema + vizinhanças)
 Quando o processo se aproxima da reversibilidade
Corolário:
“Nenhum processo no qual a entropia total (sistema + vizinhança) diminui é possível”
“A energia do universo é constante e a entropia tende a atingir um máximo”
∆𝑆 → 0
“A entropia do sistema ou das vizinhanças pode aumentar ou diminuir. Isto
acontece frequentemente nos processos irreversíveis”
EXEMPLO
Um Sistema opera em um ciclo de potência enquanto recebe 1000 kJ sob a forma de calor de um
reservatório a 500 K e descarrega 600 kJ sob a forma de calor para um reservatório a (a) 200 K, (b) 300
K, (c) 400 K. para cada caso determine se o ciclo opera de forma reversível, irreversível ou impossível.
4.0
kJ 1000
kJ 600
11
H
C 
Q
Q
(a) 
6.0
K 500
K 200
11
H
C
max 
T
T
(b) 
4.0
K 500
K 300
11
H
C
max 
T
T
(c) 
2.0
K 500
K 400
11
H
C
max 
T
T
Reversibly0.4 = 0.4
Impossible0.4 > 0.2
Irreversibly0.4 < 0.6
 max
ENTROPIA
I
T
dQ
dSirrev 
Geração de entropia devido
às irreversibilidades
 I  0
= dSrev
0
d
  T
Q
dS revrev para todos os ciclos reversíveis
ISS revirr 
0 sVizinhançaSistemaTotal SSS
BALANÇO DE ENTROPIA SISTEMAS 
FECHADOS
Geração de entropia devido a irreversibilidades
Irreversibilidades presentes no sistema 
Ausência de Irreversibilidades no sistema 
EXEMPLO
Um Sistema opera em um ciclo de potência enquanto recebe 1000 kJ sob a forma de calor de um
reservatório a 500 K e descarrega 600 kJ sob a forma de calor para um reservatório a (a) 200 K, (b) 300
K, (c) 400 K. para cada caso determine se o ciclo opera de forma reversível, irreversível ou impossível.
b






T
Q
cycle
C
out
H
in 
T
Q
T
Q
ENTROPIA SUBSTÂNCIA PURA
Determinação da entropia de substância pura:
• Gráficos HS (Mollier)
• GráficosTS
• Tabelas deVapor
• Cálculo para a região de duas fases
• Cálculo para mudança de fase p cte.
• Cálculo para fluidos incompressíveis.
s = (1-x)sl+ x.sv
dQ = dH
T
dH
T
dQ
dS 
T
HH
SS
lg
lg

 .equil
.equil
T
H
S


   
1
2
12
T
T
lncTSTS 
 1 L VM x M xM  
ESTADO DE REFERÊNCIA
Nas tabelas de vapor: Sref = 0 ⇒ liq. sat. @ 0,01 Cº
Refrigerantes: Sref = 0 ⇒ liq. Sat. @ -40 °C
Exemplo: Considere água em dois estados. No estado 1, a pressão é 3 MPa e a temperatura é 500°C. No
estado 2, a pressão é 0,3 MPa e a entropia específica é a mesma do estado 1. O objetivo é determinar a
temperatura no estado 2.
PARA REGIÃO DE SATURAÇÃO
Exemplo: Determinar a entropia específica do Refrigerante 134ª em um estado em que a temperatura é 0°C
e a energia interna específica é 138,43 kJ/kg.
PARA LÍQUIDOS
 Tabelas quando existirem ou considerar s(T,p) ≈ ssat(T) 
ou
 Calcular por:
ENTROPIA SUBSTÂNCIA PURA
TERMODINÂMICA