Fisica 02 - Entropia e a segunda lei da termodinâmica

1. Física 2 – Entropia e a Segunda Lei da Termodinâmica Prof. Dr. Walmor Cardoso Godoi Departamento de Física - DAFIS Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR

2.     Q   Q   Exemplo comum Esse processo não acontece, embora obedece a 1ª lei da termodinâmica 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.

3. Processos unidirecionais irreversíveis, seta do tempo ... Variação de Entropia  

4. Processos Irreversíveis e Entropia Todos os processos irreversíveis em um sistema fechado são acompanhados por aumento da entropia. Definindo a variação de entropia: Temperatura e energia do sistema Formas de distribuição de átomos ou moléculas

5. Variação de Entropia Processo irreversível Pressão e volume são propriedades de estado. Adicionando + uma propriedade de estado: Entropia Unidade: J/K

6. Variação de Entropia Processo reversível

7. A Entropia como uma Função de Estado Entropia: propriedade do estado do sistema não depende do modo como esse estado é atingido Válido para qualquer processo reversível  

8. A 2ª Lei da Termodinâmica Processo reversível Sentido inverso: Podemos voltar à (a) acrescentando algumas esferas e retirando calor (sistema aberto) Para um sistema fechado : gás + fonte de calor      

9. A 2ª Lei da Termodinâmica Se um processo ocorre em um sistema fechado , a entropia do sistema aumenta se o processo for irreversível e permanece constante se o processo for reversível .

10. Força Associada à Entropia Borracha  

11. Máquinas Térmicas Máquina térmica: Extrai energia do meio ambiente na forma de calor para realizar trabalho útil Utiliza substância de trabalho operando em ciclos (água, por exemplo)

12. Máquinas Térmicas

13. Máquinas Térmicas Ciclo de Carnot Máquina térmica ideal Processo reversível Transferência de energia realizada sem perdas por atrito e turbulência

14. Ciclo de Carnot

15. Máquinas Térmicas Ciclo de Carnot

16. Máquinas Térmicas Ciclo de Carnot

17. Máquinas Térmicas Ciclo de Carnot Trabalho líquido Variações de Entropia       = 0  

18. Máquinas Térmicas Eficiência de uma Máquina de Carnot: trabalho realizado por ciclo           (Eficiência qualquer máquina térmica)

19. IMPOSSÍVEL Enunciado de Kelvin É impossível a construção de um dispositivo que, por si só, isto é, sem intervenção do meio exterior, consiga transformar integralmente em trabalho o calor absorvido de uma fonte a uma dada temperatura uniforme. Máquinas Térmicas

20. Alguns dados Equipamento Dado Aquecedores de Água a Gás - Tipo Instantâneo 80 % rendimento energético Sistemas e Equipamentos para AQUECIMENTO SOLAR DE ÁGUA 55 % rendimento energético Carros leves 1,45 até 2,00 MJ/km (25 % eficiência) Usina nuclear 40 % eficiência energética Usina térmica 1 35 % eficiência energética Melhores placas solares comercializadas do mundo 16 % eficiência conversão Usina hidrelétrica 95 % eficiência energética Fontes: Halliday & Resnick – Física Vol. 2 1 2009 , média mundial segundo ABB http ://www.abb.com.br/industries/pt/9AAC171190.aspx Inmetro http ://www.inmetro.gov.br/consumidor/tabelas.asp http://www.inee.org.br/

21. Fonte: Privatização e eficiência das usinas hidrelétricas brasileiras Econ. Apl. vol.9 no.3 Ribeirão Preto July./ Sept . 2005

22. Máquinas Térmicas Máquina de Stirling Robert Stirling , 1816 Ao invés de processo adiabático (Carnot), processo a isocórico (v= cte ) Ignorada, mas possui aplicações hoje

23. Exemplo 1: Uma máquina de Carnot opera entre temperaturas TQ= 850 K e TF=300 K. A máquina realiza 1200 J de trabalho em cada ciclo, que leva 0,25 s. a) Qual a eficiência da máquina b) Qual a potência média da máquina

24. c) Qual é a energia |Q Q | extraída na forma de calor da fonte quente a cada ciclo d) Qual é a energia | Q F | liberada na forma de calor para a fonte fria a cada ciclo

25. e) De quanto varia a entropia da substância de trabalho devido à energia recebida da fonte quente e devido à energia cedida a fonte fria

26. Ciclo Otto

27. Ciclo Otto Engenheiro alemão   Nikolaus Otto em 1876

28. Máquinas Térmicas Ciclo Otto

29. Máquinas Térmicas Ciclo Diesel Patente em 1893 , ao engenheiro alemão Rudolf Diesel Motor a gasolina funciona com a taxa de compressão que varia de 8:1 a 12:1, no motor diesel de 15:1 a 25:1 . Enquanto o motor a gasolina admite (admissão - 1º tempo) a mistura ar/combustível para o cilindro, o motor Diesel aspira (aspiração 1º tempo) apenas ar. A ignição dos motores a gasolina dá-se a partir de uma faísca elétrica fornecida pela vela de ignição antes da máxima compressão na câmara de explosão (> a 400ºC). Já no motor Diesel a combustão ocorre quando o combustível é injetado e imediatamente inflamado pelas elevadas temperaturas (> a 600ºC) a compressão na câmara de combustão  

30. Refrigeradores Dispositivo que utiliza trabalho para transferir energia de uma fonte fria para uma fonte quente por processos cíclicos Refrigerador ideal - Todos os processos ocorrem sem perdas ( refrigerador de Carnot )

31. Eficiência refrigerador   (Coeficiente de D esempenho) Ar-condicionado (K = 2,5) e geladeiras domésticas (K = 5)    

32. Refrigeradores Geladeira Antigamente ->

33. Refrigeradores Condicionador de ar

34. A Eficiência de Máquinas Térmicas Reais

35. Visão Estatística da Entropia