Mar 11

Termodinâmica - Segunda lei

Written by Marcos Cassiano.

Segunda lei da Termodinâmica

A primeira lei da Termodinâmica, já vista em página anterior, impõe uma condição fundamental aos processos energéticos, isto é, não pode haver geração ou desaparecimento espontâneo de energia.

A segunda lei adiciona outras restrições, quanto ao comportamento e ao modo de utilização das transformações energéticas.

Seja o exemplo clássico da Figura 01. Em (a) existem dois corpos isolados:

Figura 01

• corpo quente, com temperatura T_A.

• corpo frio, com temperatura T_B < T_A.

Se os dois corpos são colocados em contato entre si num sistema isolado como em (b) da figura, a experiência mostra que o calor passa do corpo quente para o corpo frio até que as temperaturas de ambos se estabilizem num valor de equilíbrio T_E, como em (c) da figura.

Naturalmente, deve ocorrer T_A > T_E > T_B.

Observar que, se o processo fosse inverso, isto é, se o calor passasse do corpo frio para o quente (aumentando a temperatura do quente e diminuindo a do frio), não haveria nenhuma violação da primeira lei (a mesma quantidade de calor retirada de um é adicionada ao outro). Mas isso nunca acontece. Assim, pode-se dizer que

Espontaneamente, o calor só pode passar de um corpo de temperatura mais alta para outro de temperatura mais baixa. E esse é um dos enunciados da segunda lei da Termodinâmica.

Outro exemplo comum da segunda lei é dado pela eficiência de uma máquina térmica.

Figura 02

Uma máquina térmica ideal (M) funcionaria como em (a) da Figura 02. Todo o calor Q₁ de uma fonte quente (exemplo: a combustão de uma substância) seria transformado em trabalho W. Assim, W = Q₁ e haveria eficiência η = 1 ou 100 %. Mas é claro que isso nunca ocorre.

Uma máquina real opera como em (b) da mesma figura. Há sempre uma parcela de calor Q₂ que é trocada com uma fonte fria (o próprio ambiente na maioria dos casos).

E o enunciado a seguir é outra forma da segunda lei:

É impossível converter todo o calor de uma fonte em trabalho. Sempre haverá uma parcela trocada com o ambiente.

E outros enunciados podem ser vistos. Por exemplo, a impossibilidade do moto-perpétuo de segunda espécie (uma máquina que aproveitaria o calor do próprio ambiente).

Transformações reversíveis e irreversíveis

Transformações termodinâmicas são processos que produzem alterações em variáveis que definem o estado termodinâmico de um corpo ou sistema.

Figura 01

A reversibilidade ou não de uma transformação é uma propriedade importante, que tem relação com a segunda lei.

Como exemplo de transformação reversível, pode-se citar o escoamento de um gás ideal em uma tubulação com um estrangulamento, conforme Figura 01.

Desde que a condição é supostamente ideal, não há atritos nem trocas de calor através da parede do tubo. Devido à redução de seção, o estado termodinâmico (ex: pressão, velocidade) do gás em 2 é diferente do estado em 1.

Passado o estrangulamento, como no ponto 3 da figura, o estado termodinâmico é o mesmo de 1, caracterizando a reversibilidade do processo.

Na Figura 02, ocorre a troca de calor entre dois corpos com temperaturas diferentes T_A > T_B, já vista no tópico anterior.

Figura 02

Em (b) da figura os corpos são colocados em contato mútuo dentro de um sistema isolado.

Depois de algum tempo, a troca de calor termina e os corpos atingem uma temperatura comum de equilíbrio T_E (T_A > T_E > T_B), conforme indicado em (c) da figura.

Entretanto, conforme (d) da figura, se os corpos são afastados e fisicamente dispostos na mesma situação inicial (a), as suas temperaturas não retornam espontaneamente aos valores anteriores. Há, portanto, umatransformação irreversível.

Processos práticos não são ideais e, portanto, sempre têm algum grau de irreversibilidade. Em geral, ela é atribuída a:

• forças de atrito (sólidos e fluidos).
• transferência de calor com diferença finita de temperatura.
• expansão ou compressão rápida de um fluido.
• expansão livre de um fluido.
• mistura espontânea de gases diferentes.

Conceito de entropia

Usando esse conceito, a segunda lei é escrita:

A variação da entropia de um sistema fechado não pode ser negativa. Se a transformação é reversível, a variação da entropia dos corpos envolvidos é nula. Se a transformação é irreversível, essa variação é positiva.

Portanto,

ΔS_{sist fechado} ≥ 0 #A.1#. Onde S é entropia.

Para um processo reversível, a entropia é dada por:

#B.1#. Onde:

δQ: variação infinitesimal do calor trocado (δ indica diferencial inexata).
T: temperatura absoluta.

E a variação de entropia é:

#B.2#

Mais informações sobre entropia (processos irreversíveis) serão vistas na parte de ciclos termodinâmicos.

Figura 01

Significado físico da entropia e outros comentários:

Naturalmente, o estudo da entropia é algo muito mais amplo que as definições básicas aqui apresentadas.

Umas das interpretações físicas comuns da entropia é como uma medida da desordem de um sistema, ou seja, um sistema mais desordenado tem uma entropia maior.

Em (a) da Figura 01, um espaço com um gás tem as moléculas dispostas com alguma ordenação. Se isso ocorreu em um determinado momento, o mais provável é que, em tempos futuros, a disposição seja mais desordenada, como em (b) da figura. Isto significa, portanto, que os processos naturais em sistemas fechados tendem para uma entropia maior.

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