DO SOL AO AQUECIMENTO Degradação da Energia. 2ª Lei da Termodinâmica
18-04-2013
Dulce Campos
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• A 1º Lei da Termidinâmica é um caso particular da Lei da
Conservação da Energia
«A energia de um sistema isolado permanece constante»
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A 1ª Lei da Termodinâmica diz que a quantidade de energia que um sistema fornece tem de ser igual à que o outro recebe, de modo a atingir-se o equilíbrio térmico
Saber em que sentido ocorre o processo de transferência de energia, isto é, desde que a energia se conserve qualquer sentido é permitido
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É a 2ª Lei da Termodinâmica que define o sentido da transferência de energia.
Uma chávena com café quente, numa sala fria, arrefece de uma forma espontânea e nunca o contrário
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Existem muitos outros processos espontâneos na Natureza
A bola, depois de cair, não volta para trás, a menos que se exerça uma ação exterior ao sistema que a coloque de novo no ponto de partida'
A água de uma cascata natural desce sempre de um ponto mais alto para outro mais baixo. Este processo é espontâneo e irreversível, a não ser que se utilize uma máquina para elevar a água a um nível superior'
O ferro exposto ao ar e à humidade, naturalmente, enferruja
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Processo Reversível • Em todos os processos referidos anteriormente, está à partida definido um sentido «natural» para que eles ocorram • O sentido inverso é impossível, a menos que intervenha um fator externo ao sistema • A Lei da Conservação da Energia, assim como a 1ª Lei da Termodinâmica, verificam-se em todos os casos. Estas leis de conservação não seriam violadas, se estes processos acontecessem no sentido inverso ao da sua evolução «natural». É a 2." Lei da Termodinâmica que mostra em que sentido decorre a evolução «natural» dos fenómenos.
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• Quando a bola cai ao chão, ocorrem deformações e aquecimentos. • Estes acontecimentos geram um acréscimo de calor no sistema e nas suas vizinhanças. •
Mesmo que, por ação de uma máquina ou do Homem, se voltasse a colocar a bola na sua posição inicial, o sistema e as suas vizinhanças já não estariam nas mesmas condições iniciais.
•
O processo é, por isso, irreversível.
O sentido de um processo irreversível é o da degradação de energia
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Do ponto de vista físico, a energia degrada-se quando perde a capacidade de realizar trabalho (trabalho útil).
Pode então definir-se um dos muitos enunciados da 2ª Lei
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A 2ª Lei da Termodinâmica pode ser formulada em termos de uma nova propriedade de estado de um sistema designada por entropia e que é representada pela letra maiúscula S Definiu-a como sendo uma medida da perda de capacidade do sistema para produzir trabalho
Rudolf Clausius (1822-1888), físico e matemático alemão.
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Conhecido também como o Princípio do Aumento da Entropia, permite chegar a algumas conclusões importantes : • A entropia de um sistema isolado só se conserva para processos reversíveis (processos independentes do sentido): ΔS = 0; • Em processos irreversíveis (processos de um só sentido) a entropia aumenta: ΔS > 0 Através do conhecimento da variação da entropia do sistema, a.2ª Lei da Termodinâmica determina o sentido em que um sistema pode evoluir espontaneamente ao Iongo do tempo.
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Quase todos os fenómenos que ocorrem são irreversíveis e, por isso, a entropia do Universo (um sistema isolado por definição) aumenta continuamente Entropia do sistema 1
Entropia da vizinhança Os processos que podem ocorrer tem de satisfazer a condição:
A entropia de um sistema isolado pode variar; no entanto, a variação global terá de ser sempre maior ou igual a zero: ΔS ≥ 0
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A 2ª Lei da Termodinâmica afirma que a entropia não pode ser destruída mas pode ser criada. A entropia é criada através da ocorrência de processos irreversíveis, e este tipo de processos conduz a uma degradação da energia. Ou seja, a entropia mede o grau de degradação da energia do Universo.
Se, por uma qualquer razão, os livros estivessem todos misturados e desorganizados, o grau de complexidade do sistema aumentava, e a probabilidade de encontrar o livro pretendido seria muito pequena. O livro poderia estar em qualquer posição ou estado' não conhecidos à partida. Esta menor informação, ou maior incerteza é equivalente ao que se designa por desordem.
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Fazendo a equivalência entre os livros da biblioteca e as partículas de um sistema, verifica-se que o número de estados (neste caso, designados por microestados) possíveis de um sistema é infindável
É mais provável que o sistema esteja num estado desordenado do que num estado ordenado, pois existem' para um mesmo sistema, mais estados desordenados possíveis'
A uma maior complexidade do sistema corresponderá um maior grau de desordem, ou uma maior entropia.
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Entropia é uma medida da desordem microscópica do sistema
Quando ocorrem processos irreversíveis (e espontâneos), verifica-se sempre a passagem de um estado organizado para outro mais desorganizado. • Exemplo 1 Quando a bola cai e embate no solo, há deformações no sistema e aumento da temperatura da bola e das suas vizinhanças devido ao atrito. As partículas ficam mais desordenadas, ou seja, a entropia aumenta. • Exemplo 2 Cubos de gelo a derreter num copo são um exemplo de um processo irreversível e de um consequente aumento de entropia do sistema.
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A entropia é uma medida direta do estado caótico, ou do grau de desordem de um sistema
A entropia é tanto maior quanto maior é a desordem microscópica do sistema ou, em termos energéticos, a entropia é tanto maior quanto menor é a qualidade da energia
Todos os problemas relativos à degradação de energia estão relacionados com o aumento da entropia do Universo
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Q.1.
Q.2.
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Q.3.
Q.4.
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As máquinas térmicas e o seu rendimento
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As máquinas frigoríficas e a sua eficiência
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As máquinas frigoríficas e a sua eficiência
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As máquinas frigoríficas e a sua eficiência Eficiência de uma máquina frigorífica, ɛ
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Energia Transfere-se sob a forma de
sofre
Degradação Radiação
Trabalho
descrita pela
Calor
2ª Lei da Termodinâmica
pode ser verificada nas os quais podem provocar
Variação da energia interna manifestada pela
1ª Lei da Termodinâmica
pode provocar no sistema
Variação da temperatura 𝑄 = 𝑚𝑐Δ𝜃 Mudança de fase 𝑄 = 𝑚𝐿
Máquinas térmicas
Máquinas frigorificas
onde se define
onde se define
Rendimento (ƞ) 𝑊 𝜂= 𝑄𝑄
Eficiência (ɛ) 𝑄𝐹 𝜀= 𝑊
transferem-se com
transferem-se por
facilidade
dificuldade
Bons condutores térmicos
Maus condutores térmicos
que têm
que têm
Elevada condutividade térmica (k)
Baixa condutividade térmica (k)
convecção condução Δ𝑄 𝑇2 −𝑇1 =𝑘 𝐴 Δ𝑡 𝐿
