Segunda Lei da Termodinâmica
A Segunda Lei da Termodinâmica trata da transferência de energia térmica. Isso quer dizer que ela indica as trocas de calor que têm tendência para igualar temperaturas diferentes (equilíbrio térmico), o que acontece de forma espontânea.
Seus princípios são:
- O calor é transferido de forma espontânea do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura.
- Todo processo tem perda porque seu rendimento sempre é inferior a 100%.
É expressa pela seguinte fórmula:
Onde,
η: rendimento
QA: calor fornecido por aquecimento
QB: calor não transformado em trabalho
A diferença dos calores de entrada e saída é o trabalho.
Substituindo na fórmula do rendimento, também podemos escrever:
Essa lei se estabeleceu a partir dos estudos de Sadi Carnot (1796-1832). Incentivado pela Revolução Industrial, o físico francês estudava a possibilidade de aumentar a eficiência das máquinas.
Analisando as máquinas térmicas, Carnot descobriu que elas eram mais eficientes quando havia transferência de calor da temperatura mais alta para a temperatura mais baixa. Isso acontece sempre nessa ordem, afinal a transferência de energia térmica é um processo irreversível.
Isso quer dizer que o trabalho depende da transferência de energia térmica, lembrando que não é possível transformar todo calor em trabalho.
Desta forma, Carnot mostrou que o máximo rendimento depende apenas da diferença entre as temperaturas da fonte quente e fria.
Sendo T2 a temperatura da fonte fria e T1 da fonte quente.
Diante deste enunciado, temos que se a temperatura T2 fosse igual à 0 K (kelvin), ou, zero absoluto, o rendimento seria de 100%.
Foi com base nas ideias de Carnot, que Clausius e Kelvin basearam seus estudos sobre a Termodinâmica.
A Segunda Lei da Termodinâmica está relacionada com o conceito de entropia. Ela completa a Primeira Lei da Termodinâmica, a qual se fundamenta no princípio da conservação de energia.
Ciclo de Carnot
Para que a energia não esteja sempre a aumentar (imaginemos no caso de uma máquina), é preciso que em determinado momento ela volte ao seu estado inicial e reinicie o processo. O processo é, assim, cíclico.
Enquanto uma parte funciona em temperaturas mais elevadas, a outra parte funciona em temperaturas mais reduzidas. Isso é possível de acordo com a Segunda Lei da Termodinâmica.
O ciclo, em sentido horário, absorve calor. É o caso dos motores. O ciclo, em sentido anti-horário, perde calor. É o caso dos refrigeradores.
Para saber mais sobre Ciclo de Carnot.
Leia também
Exercícios Resolvidos da Segunda Lei da Termodinâmica
Exercício 1
(UFAL-AL) Analise as proposições a seguir:
( ) Máquina térmica é um sistema que realiza transformação cíclica: depois de sofrer uma série de transformações ela retorna ao estado inicial.
( ) É impossível construir uma máquina térmica que transforme integralmente calor em trabalho.
( ) O calor é uma forma de energia que se transfere espontaneamente do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura.
( ) É impossível construir uma máquina térmica que tenha um rendimento superior ao da Máquina de Carnot, operando entre as mesmas temperaturas.
( ) Quando um gás recebe 400 J de calor e realiza um trabalho de 250 J, sua energia interna sofre um aumento de 150 J.
Exercício 2
(CEFET-PR) O 2° princípio da Termodinâmica pode ser enunciado da seguinte forma: “É impossível construir uma máquina térmica operando em ciclos, cujo único efeito seja retirar calor de uma fonte e convertê-lo integralmente em trabalho.”
Por extensão, esse princípio nos leva a concluir que:
a) sempre se pode construir máquinas térmicas cujo rendimento seja 100%;
b) qualquer máquina térmica necessita apenas de uma fonte quente;
c) calor e trabalho não são grandezas homogêneas;
d) qualquer máquina térmica retira calor de uma fonte quente e rejeita parte desse calor para uma fonte fria;
e) somente com uma fonte fria, mantida sempre a 0°C, seria possível a uma certa máquina térmica converter integralmente calor em trabalho.
Exercício 3
(ENEM-MEC) A refrigeração e o congelamento de alimentos são responsáveis por uma parte significativa do consumo de energia elétrica numa residência típica.
Para diminuir as perdas térmicas de uma geladeira, podem ser tomados alguns cuidados operacionais:
I. Distribuir os alimentos nas prateleiras deixando espaços vazios entre eles, para que ocorra a circulação do ar frio para baixo e do quente para cima.
II. Manter as paredes do congelador com camada bem espessa de gelo, para que o aumento da massa de gelo aumente a troca de calor no congelador.
III. Limpar o radiador (“grade” na parte de trás) periodicamente, para que a gordura e o poeira que nele se depositam não reduzam a transferência de calor para o ambiente.
Para uma geladeira tradicional é correto indicar, apenas,
a) a operação I
b) a operação II.
c) as operações I e II.
d) as operações I e III.
e) as operações II e III.
Veja também: Exercícios sobre Termodinâmica
Para mais exercícios de Física:
Exercícios de Física (resolvidos) para 2º ano do ensino médio
ASTH, Rafael. Segunda Lei da Termodinâmica. Toda Matéria, [s.d.]. Disponível em: https://www.todamateria.com.br/segunda-lei-da-termodinamica/. Acesso em:
