2ª Lei da Termodinâmica

A segunda Lei da Termodinâmica trata diretamente do rendimento das máquinas térmicas. Dois enunciados, que parecem ser diferentes, ilustram a 2ª Lei da Termodinâmica, são eles:

• Enunciado de Clausius:

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

Tendo como consequência que o sentido natural do fluxo de calor é da temperatura mais alta para a mais baixa,  para que ocorra assim o equilíbrio térmico, e que para que o fluxo seja inverso é necessário que um agente externo realize um trabalho sobre este sistema.

• Enunciado de Kelvin-Planck:

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

Este enunciado informa que nenhum dispositivo térmico consegue ter 100% do seu calor transformado em trabalho, por menor que seja este.

Maquinas térmicas

As máquinas térmicas foram os primeiros dispositivos mecânicos a serem utilizados em larga escala na indústria, por volta do século XVIII. Era usado o aquecimento para transformar água em vapor, capaz de movimentar um pistão, que por sua vez, movimentava um eixo que tornava a energia mecânica utilizável para as indústrias da época.

Chamamos máquina térmica o dispositivo que, utiliza-se de duas fontes térmicas, que faz com que a energia térmica (calor) se converta em energia mecânica (trabalho).

A fonte térmica fornece uma quantidade de calor  que no dispositivo transforma-se em trabalhomais uma quantidade de calor que não é capaz de ser utilizado como trabalho .  

Já quando se é utilizado uma máquina que tem por objetivo o resfriamento, os valores serão negativos, tais como as setinhas (existentes na imagem) serão inversas

Neste caso, o fluxo de calor acontece da temperatura menor para o a maior. Mas conforme a 2ª Lei da Termodinâmica, este fluxo não acontece espontaneamente, logo é necessário que haja uma força externa.

Com isso, teremos:

Que é justamente a relação citada acima, da quantidade de calor das fontes e da quantidade que é transformado em trabalho.

Rendimento das máquinas térmicas:

Podemos calcular ainda o rendimento dessas máquinas, por meio da relação entre a energia utilizada como forma de trabalho e a energia fornecida:

Considerando:

=rendimento;

= trabalho convertido através da energia térmica fornecida;

=quantidade de calor fornecida pela fonte de aquecimento;

=quantidade de calor não transformada em trabalho.

Obtém-se então: 

OBS.: O valor mínimo para o rendimento é 0 se a máquina não realizar nenhum trabalho, e o máximo 1, se fosse possível que a máquina transformasse todo o calor recebido em trabalho, mas como visto, isto não é possível. Para sabermos este rendimento em percentual, multiplica-se o resultado obtido por 100%.

Em termos matemáticos:

Um motor à vapor realiza um trabalho de 12kJ quando lhe é fornecido uma quantidade de calor igual a 23kJ. Qual a capacidade percentual que o motor tem de transformar energia térmica em trabalho?

Conclui-se então que a capacidade percentual de que o motor obtém para transformar energia térmica em trabalho é de 52,17%.

Fonte 1/1 

Fonte 1/2