Segunda lei da termodinâmica

Para explicar os processos termodinâmicos irreversíveis, os cientistas formularam a segunda lei da termodinâmica. A segunda lei da termodinâmica explica quais processos podem ocorrer no universo e quais processos não podem ocorrer. Um cientista chamado R. J. E. Clausius (1822-1888) fez a seguinte afirmação:

Naturalmente, o calor se move de objetos de alta temperatura para objetos de baixa temperatura; naturalmente, o calor não se move de objetos de baixa temperatura para objetos de alta temperatura (Segunda lei da termodinâmica — enunciado de Clausius).

A afirmação de Clausius é uma das afirmações especiais da segunda lei da termodinâmica. É chamada de afirmação especial porque se aplica apenas a um processo específico, relacionado à transferência de calor. Como essa afirmação não se aplica a outros processos, precisamos de uma afirmação mais geral. O desenvolvimento de uma afirmação geral da segunda lei da termodinâmica baseia-se no estudo das máquinas térmicas. Portanto, discutiremos primeiro o calor gerado pelas máquinas térmicas.

Motor térmico

Grande parte da energia que utilizamos provém da energia potencial química contida no petróleo, gás e carvão. Para que a energia potencial química seja utilizada diretamente, ela precisa primeiro ser queimada. Normalmente, a queima de combustíveis fósseis (petróleo, gás e carvão) produz calor. O calor pode ser usado diretamente para cozinhar alimentos e aquecer ambientes. Para mover algo (como um veículo), precisamos converter calor em energia cinética ou energia mecânica (energia mecânica = energia potencial + energia cinética).

Uma ferramenta que utiliza calor para realizar trabalho foi descoberta em 1700. Era a máquina a vapor. A máquina a vapor foi usada pela primeira vez para bombear água para fora de uma mina de carvão.

A utilização de máquinas a vapor se deve ao fato de o vapor poder movimentar materiais. As máquinas a vapor incluem o motor térmico (um dispositivo para converter calor em energia mecânica). Atualmente, o motor a vapor é utilizado para gerar energia elétrica. Os motores térmicos modernos são motores de combustão interna, como os motores de carros, motocicletas, etc.

A ideia básica por trás do uso de máquinas térmicas é que o calor pode ser convertido em energia mecânica se o calor puder fluir de altas temperaturas para baixas temperaturas. Durante esse processo, parte do calor é convertida em energia mecânica (parte do calor é usada para realizar trabalho), e parte é liberada em locais de baixa temperatura. O processo de transformação da energia e a transferência de energia na máquina térmica são representados neste diagrama.

Alta temperatura (T)_H) e baixa temperatura (T_L) são chamadas de temperatura de operação da máquina. Q_H é o calor que flui da alta temperatura, enquanto Q_L O calor flui para um local de baixa temperatura. Ao fluir de uma região de alta temperatura para uma de baixa temperatura, parte do calor é convertida em energia mecânica (utilizada para realizar trabalho) e parte é dissipada como calor._LNem todo calor pode ser transformado em trabalho (W), sempre há calor liberado (Q)._LAssim, com base na conservação de energia, Q_H = W + Q_L.

Existem diversos tipos de motores térmicos, incluindo motores a vapor e motores de combustão interna.

Motor a vapor

As máquinas a vapor utilizam vapor de água como fluido de transferência de calor. O vapor é o fluido de trabalho. Existem dois tipos de máquinas a vapor: máquinas a vapor de ciclo alternado e máquinas a vapor com turbina. O projeto dessas máquinas é diferente, mas ambos os tipos utilizam vapor aquecido pela queima de óleo, gás, carvão ou energia nuclear.

Motores de combustão interna

Os motores de motocicletas e os motores de automóveis são exemplos de motores de combustão interna. São chamados de motores de combustão interna porque o processo de combustão ocorre dentro de cilindros fechados. A existência de um motor de combustão interna resulta do conceito de engenharia de compressão e expansão adiabáticas.

Eficiência do motor térmico

A eficiência da máquina térmica (e) é uma comparação entre o trabalho (W) realizado pela máquina e a entrada de calor a alta temperatura (Q)._H).

W é o ganho recebido, enquanto Q_H é o custo incorrido para comprar e queimar combustível. Como seres humanos que sempre buscam obter o máximo lucro com o mínimo de despesas, esperamos que o aumento do lucro (W) seja proporcional ao custo que gastamos (Q)._HSerá que isso poderia acontecer?

Com base na conservação de energia, o calor (Q_H) deve ser igual ao trabalho (W) + calor liberado (Q)_L).

Substitua W na equação 1 por W na equação 2.

Esta é a equação da eficiência de um motor térmico.

Pergunta 1:

Uma máquina térmica absorve 3000 Joules (Q)_H) calor, realiza trabalho (W) e remove 2500 Joules (Q)_LCalor. Calcule a eficiência térmica do motor.

Solução

Eficiência do motor térmico = 17%.

Pergunta 2:

Uma máquina térmica absorve 3000 Joules de calor (Q)._H), realiza trabalho (W) e remove 2000 Joules de calor (Q)_LCalcule a eficiência da máquina térmica.

Solução

Eficiência do motor térmico = 34%.

Pergunta 3:

Uma máquina térmica absorve 3000 Joules de calor (Q)._H), realiza trabalho (W) e libera até 1500 Joules de calor (Q)_LCalcule a eficiência de uma máquina térmica.

Solução

Eficiência do motor térmico = 50%.