4.S: A Segunda Lei da Termodinâmica (Resumo)
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Termos-chave
| Ciclo de Carnot | ciclo que consiste em duas isotermas às temperaturas de dois reservatórios e dois processos adiabáticos conectando as isotermas |
| Motor Carnot | Motor térmico, refrigerador ou bomba de calor Carnot que opera em um ciclo de Carnot |
| Princípio de Carnot | princípio que rege a eficiência ou o desempenho de um dispositivo térmico operando em um ciclo de Carnot: qualquer dispositivo térmico reversível trabalhando entre dois reservatórios deve ter o mesmo coeficiente de eficiência ou desempenho, maior que o de um dispositivo térmico irreversível operando entre os mesmos dois reservatórios |
| Declaração de Clausius da segunda lei da termodinâmica | o calor nunca flui espontaneamente de um objeto mais frio para um objeto mais quente |
| coeficiente de desempenho | medida de eficácia de um refrigerador ou bomba de calor |
| reservatório de frio | dissipador de calor usado por um motor térmico |
| desordem | medida de ordem em um sistema; quanto maior o distúrbio, maior a entropia |
| eficiência (e) | trabalho de saída do motor sobre o calor de entrada para o motor a partir do reservatório quente |
| entropia | função de estado do sistema que muda quando o calor é transferido entre o sistema e o meio ambiente |
| declaração de entropia da segunda lei da termodinâmica | a entropia de um sistema fechado ou de todo o universo nunca diminui |
| motor térmico | dispositivo que converte calor em trabalho |
| bomba de calor | dispositivo que fornece calor para um reservatório quente |
| reservatório quente | fonte de calor usada por um motor térmico |
| irreversibilidade | fenômeno associado a um processo natural |
| processo irreversível | processo no qual nem o sistema nem seu ambiente podem ser restaurados aos seus estados originais ao mesmo tempo |
| isentrópico | processo adiabático reversível em que o processo é sem atrito e nenhum calor é transferido |
| Declaração de Kelvin sobre a segunda lei da termodinâmica | é impossível converter o calor de uma única fonte em trabalho sem nenhum outro efeito |
| motor perfeito | motor que pode converter calor em trabalho com 100% de eficiência |
| geladeira perfeita (bomba de calor) | geladeira (bomba de calor) que pode remover (despejar) calor sem qualquer entrada de trabalho |
| geladeira | dispositivo que remove o calor de um reservatório frio |
| processo reversível | processo no qual tanto o sistema quanto o ambiente externo teoricamente podem ser retornados aos seus estados originais |
| terceira lei da termodinâmica | a temperatura zero absoluta não pode ser alcançada por meio de nenhum número finito de etapas de resfriamento |
Equações-chave
| Resultado da conservação de energia | \(W=Q_h−Q_c\) |
| Eficiência de um motor térmico | \(e=\frac{W}{Q_h}=1−\frac{Q_c}{Q_h}\) |
| Coeficiente de desempenho de um refrigerador | \(K_R=\frac{Q_c}{W}=\frac{Q_c}{Q_h−_Q}\) |
| Coeficiente de desempenho de uma bomba de calor | \(K_P=\frac{Q_h}{W}=\frac{Q_h}{Q_h−Q_c}\) |
| Eficiência resultante de um ciclo de Carnot | \(e=1−\frac{T_c}{T_h}\) |
| Coeficiente de desempenho de um refrigerador reversível | \(K_R=\frac{T_c}{T_h−T_c}\) |
| Coeficiente de desempenho de uma bomba de calor reversível | \(K_P=\frac{T_h}{T_h−T_c}\) |
| Entropia de um sistema passando por um processo reversível a uma temperatura constante | \(ΔS=\frac{Q}{T}\) |
| Mudança de entropia de um sistema sob um processo reversível | \(ΔS=S_B−S_A=∫^B_AdQ/T\) |
| Entropia de um sistema submetido a qualquer processo cíclico reversível completo | \(∮dS=∮\frac{dQ}{T}=0\) |
| Mudança de entropia de um sistema fechado sob um processo irreversível | \(ΔS≥0\) |
| Mudança na entropia do sistema ao longo de uma isoterma | \(\lim_{T→0}(ΔS)_T=0\) |
Resumo
4.2 Processos reversíveis e irreversíveis
- Um processo reversível é aquele em que tanto o sistema quanto seu ambiente podem retornar exatamente aos estados em que estavam seguindo o caminho inverso.
- Um processo irreversível é aquele em que o sistema e seu ambiente não podem retornar juntos exatamente aos estados em que estavam.
- A irreversibilidade de qualquer processo natural resulta da segunda lei da termodinâmica.
4.3 Motores térmicos
- O trabalho realizado por um motor térmico é a diferença entre o calor absorvido do reservatório quente e o calor descarregado no reservatório frio, ou seja,\(W=Q_h−Q_c\).
- A relação entre o trabalho realizado pelo motor e o calor absorvido pelo reservatório quente fornece a eficiência do motor, ou seja,\(e=W/Q_h=1−Q_c/Q_h\).
4.4 Refrigeradores e bombas de calor
- Um refrigerador ou uma bomba de calor é um motor térmico que funciona ao contrário.
- O foco de um refrigerador é remover o calor do reservatório frio com um coeficiente de desempenho\(K_R\).
- O foco de uma bomba de calor é despejar calor no reservatório quente com um coeficiente de desempenho\(K_P\).
4.5 Declarações da Segunda Lei da Termodinâmica
- A declaração de Kelvin da segunda lei da termodinâmica: É impossível converter o calor de uma única fonte em trabalho sem nenhum outro efeito.
- A declaração de Kelvin e a declaração de Clausius da segunda lei da termodinâmica são equivalentes.
4.6 O ciclo de Carnot
- O ciclo Carnot é o motor mais eficiente para um ciclo reversível projetado entre dois reservatórios.
- O princípio de Carnot é outra forma de estabelecer a segunda lei da termodinâmica.
4.7 Entropia
- A mudança na entropia para um processo reversível em temperatura constante é igual ao calor dividido pela temperatura. A mudança de entropia de um sistema sob um processo reversível é dada por\(ΔS=∫^B_AdQ/T\).
- A mudança de entropia de um sistema entre dois estados é independente do caminho termodinâmico reversível percorrido pelo sistema quando ele faz uma transição entre os estados.
4.8 Entropia em escala microscópica
- A entropia pode estar relacionada ao quão desordenado é um sistema — quanto mais ele é desordenado, maior é sua entropia. Em qualquer processo irreversível, o universo se torna mais desordenado.
- De acordo com a terceira lei da termodinâmica, a temperatura zero absoluta é inacessível.