Leis da termo

1. 2º Lei da Termodinâmica
Introdução
Enunciado da 2º lei
Rendimento de uma máquina
térmica
Ciclo de Carnot

2. Introdução
Chamamos, genericamente, de máquina a qualquer
dispositivo que tenha por finalidade transferir ou
transformar energia.
As máquinas térmicas são dispositivos em que há troca
de energia na forma de calor e também há troca de
energia com o meio externo na forma de trabalho, em um
processo cíclico.
Esses dispositivos têm a finalidade de obter energia
mecânica a partir de trocas de calor, ou obter troca de
calor a partir do fornecimento de energia mecânica.
Os motores dos automóveis, as geladeiras e os
aparelhos de ar condicionado são exemplos de máquinas
térmicas.

3. Enunciado da 2º lei
Se colocarmos dois objetos a diferentes temperaturas dentro
de um recipiente de paredes adiabáticas, o calor começará a
fluir do mais quente para o mais frio até que eles atinjam o
equilíbrio térmico.
O curioso é que, se certa quantidade de calor fosse doada pelo
mais frio e integralmente recebida pelo mais quente, não
haveria qualquer violação do Princípio da Conservação da
Energia.
Apesar disso, espontaneamente, jamais vemos isso ocorrer.
A 2ª lei da Termodinâmica trata da remota probabilidade de
ocorrer o fato mencionado, identificando o sentido mais
provável em que os fenômenos naturais acontecem.

4. Enunciado da 2º lei
Uma das formas de se enunciar essa lei é a
seguinte:
Apesar de não ser impossível, é bastante
improvável que o calor seja transferido de forma
espontânea de um corpo mais frio para outro mais
quente.
Com o intuito de explicar melhor o funcionamento de
máquinas térmicas, em que o calor é convertido em
outras formas de energia, essa lei enunciada de
outra maneira por Lord Kelvin:

5. Enunciado da 2º lei
É impossível construir uma máquina que,
operando em ciclos, retire o calor de uma
única fonte e o transforme integramente em
trabalho.
Essa expressão da 2º Lei da Termodinâmica
apenas colabora o que já comentamos a
respeito do sentido irreversível com que
ocorrem transformações espontâneas de
energia.

6. Enunciado da 2º lei – máquina térmica
A seguir, vamos fazer um esquema de uma térmica, operando
conforme manda a 2º Lei da Termodinâmica.
Uma fonte quente
está a uma temperatura
T1 e cede uma quantidade
Q1 de calor à máquina.
Esta realiza trabalho de
valor τ
Rejeita uma quantidade Q2
de calor a uma fonte fria,
que está a uma temperatura T2.

7. Enunciado da 2º lei – máquina térmica
Aplicando-se o Princípio da Conservação,
matematicamente podemos dizer que
Q1 = τ + Q2 ou que τ = Q1 - Q2

8. Rendimento de uma máquina térmica
Quando estudamos a potência de máquinas na
Mecânica, vimos que o rendimento delas pode ser
obtido fazendo-se a divisão entre a potência útil e a
total.
Não há mudança no resultado obtido, se quisermos
calcular o rendimento de uma máquina térmica pela
razão entre a energia que ela realmente aproveita
(trabalho) e a energia total que ela recebe da fonte
quente (Q1).
1
2
11
21
1
1
Q
Q
QQ
QQ
Q
−==→
−
==
τ
η
τ
η

9. Física e tecnologia
Uma das mais importantes
invenções do ser humano é o
motor de combustão interna –
uma máquina termodinâmica
que transforma calor em
energia mecânica.
A seguir, vamos analisar de
forma sucinta o chamado motor
de quatro tempos.
Com pistões, o motor comprime
uma mistura de ar e
combustível dentro de um
cilindro.
Em certo momento a vela de
ignição dispara uma faísca,
iniciando a combustão dessa
mistura.
A queima do combustível
provoca um aumento de
temperatura e pressão,
permitindo a realização de
trabalho.
Com isso os pistões são
empurrados e, por intermédios
das bielas, fazem o virabrequim
girar.
Como resíduo da combustão,
gases são expelidos pelo
escapamento, e o ciclo
recomeça.
Os quatro tempos de um motor
são:

10. Física e tecnologia

11. Física e tecnologia

12. Física e tecnologia

13. Física e tecnologia

14. Ciclo de Carnot
O físico francês Sadi Carnot
(1796-1832) idealizou, em
1824, a transformação cíclica
capaz de proporcionar
rendimento máximo para uma
máquina térmica, visto que seu
valor jamais seria de 100% de
acordo com a 2º Lei da
Termodinâmica.
Esse ciclo apresenta duas
transformações isotérmicas
(expansão AB e compressão
CD) intercaladas ou duas
transformações adiabáticas
(expansão BC e compressão
DA).

15. Ciclo de Carnot
O rendimento no Ciclo de Carnot, ou seja, o máximo
que pode ser atingido por uma máquina térmica, é
calculado conforme vimos há pouco.
No entanto, nesse tipo de transformação cíclica, as
quantidades Q1 e Q2 de calor, respectivamente,
fornecidas pela fonte quente e rejeitada à fonte fria
são diretamente proporcionais às temperaturas
absolutas dessas fontes.
Assim, podemos escrever o rendimento de uma
máquina que opera de forma ideal das seguintes
formas:
1
2
1
2
11
T
T
Q
Q
−=−= ηη ou

16. Exercícios Resolvidos
1. Em uma máquina térmica são fornecidos 3kJ de calor pela fonte quente para
o início do ciclo e 780J passam para a fonte fria. Qual o trabalho realizado pela
máquina, se considerarmos que toda a energia que não é transformada em
calor passa a realizar trabalho?
A segunda lei da termodinâmica enuncia que:
Então, substituindo os valores na equação, temos:

17. Exercícios Resolvidos
2. Qual o rendimento da máquina térmica do exercício
anterior?
Sendo o rendimento de uma máquina térmica dado
por:
Substituindo os valores na equação:
Ou, em percentual:

18. Exercícios Resolvidos
2. Uma máquina que opera em ciclo de Carnot tem a temperatura de
sua fonte quente igual a 330°C e fonte fria à 10°C. Qual é o
rendimento dessa máquina?
Sendo o rendimento de uma máquina térmica que opera em ciclo de
Carnot:
Mas as temperaturas utilizadas devem estar em escala absoluta,
logo, convertendo-as:
Aplicando estes valores na equação:
Ou, em percentual:

19. Resolução de Atividades
Página 41 a 43
Página 47 e 48