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Entropia e 2º Lei da Termodinâmica

Entropia e 2º Lei da Termodinâmica. T café > T ar. Q é transferido do café quente para o ar frio. Mas. …é possível transferir Q de volta do ar frio para o café quente?. Uma situação bem conhecida. Outras situações conhecidas. Um balão estoura e o gás He se mistura no ar.

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Entropia e 2º Lei da Termodinâmica

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Presentation Transcript

  1. Entropia e 2º Lei da Termodinâmica

  2. Tcafé > Tar Q é transferido do café quente para o ar frio Mas... …é possível transferir Q de volta do ar frio para o café quente? Uma situação bem conhecida

  3. Outras situações conhecidas • Um balão estoura e o gás He se mistura no ar. • Um copo cai e se quebra. • Um corpo é freiado pelo atrito e aquece.

  4. Em todos os casos • A energia é conservada. • Porque estes eventos não são observados? • Irreversibilidade : a seta do tempo. 2º. Lei da Termodinâmica Entropia

  5. Entropia “A utilidade do conceito de entropia é limitado pelo fato de que ele não corresponde diretamente a nenhuma propriedade física mensurável, mas é meramente uma função matemática da definição de temperatura absoluta.” Enciclopédia Britânica, 11a Ed. (1905).

  6. Entropia g : Número de estados acessíveis ao sistema

  7. Entropia : Exemplo Magneto num campo magnético B ou -mB +mB U = Sistema com N magnetos N = n↑ + n↓ U= - (n↑ - n↓) mB

  8. Entropia : Exemplo Sistema com 4 magnetos: g U -4mB 1 -2mB 4 0 6 +2mB 4 1 +4mB

  9. Equilíbrio Térmico Contato Térmico entre 2 Sistemas ANTES do contato térmico: DEPOIS do contato térmico : g=g1xg2=16 4 4 -2mB +2mB U=U1+U2=0 1 1 -4mB +4mB g=1 U=0 4 4 -2mB +2mB g=16 U=0 6 6 0 0 g=36 U=0 4 4 +2mB -2mB g=16 U=0 1 +4mB 1 -4mB g=1 U=0

  10. Equilíbrio Térmico N = N1+N2 U = U1o+U2o = U1+U2 = cte Termo g1g2 mais provável - Máximo: Equilíbrio Térmico

  11. Entropia Energia trocada por contato térmico : dQ

  12. Entropia S é uma função de estado Caso simples: Gás Ideal – Processo Reversível :

  13. Entropia Gás Ideal – Processo Reversível :

  14. P i f V Transformação Adiabática Reversível Entropia do gás constante na expansão adiabática.

  15. P i f V Transformação Isotérmica Reversível Entropia do gás aumenta na expansão isotérmica.

  16. Transição de fase Temperatura constante

  17. 2º. lei da Termodinâmica “Em processos em SISTEMAS FECHADOS a ENTROPIA sempre aumenta PROCESSOS IRREVERSÍVEIS ou fica constante PROCESSOS REVERSÍVEIS.”

  18. 2º. lei da Termodinâmica SE o no. de estados acessíveis do sistema aumenta num processo, o sistema não volta naturalmente para a situação com menor probabilidade :PROCESSO IRREVERSÍVEL: → seta do tempo.

  19. Expansão Livre Irreversível : dQ ? T ? S : função de estado : só depende dos estados i e f Calcula-se DS para um processo reversível ligando os mesmos i e f Expansão isotérmica

  20. Exemplo Um mol de gás nitrogênio sofre uma expansão livre e seu volume dobra. Calcule a variação de entropia. Entropia do processo irreversível aumenta

  21. Exemplo Dois blocos idênticos de massa m=2 kg estão térmicamene isolados com temperaturas TA=60 oC e TB=20 oC. Os blocos são colocados em contato térmico. O calor específico do material dos blocos é 400 J kg-1K-1. a) Qual a variação de entropia do sistema formado pelos dois blocos neste processo irreversível? Usamos processo reversível entre mesmos estados i → f . Troca de calor com reservatórios com T variável lentamente.

  22. Exemplo a) Qual a variação de entropia do sistema formado pelos dois blocos neste processo irreversível? Entropia do processo irreversível aumenta

  23. Exemplo Um mol de gás ideal sofre uma compressão isotérmica onde seu volume reduz a metade do volume inicial. Calcule a variação de entropia do gás. Processo reversível Entropia do processo reversível diminui ???

  24. Exemplo Um mol de gás ideal sofre uma compressão isotérmica onde seu volume reduz a metade do volume inicial. Processo reversível Sistema fechado : GAS + RESERVATÓRIO Entropia do processo reversível se mantem cte

  25. Processos cíclicos Máquinas Térmicas Ideais Processo Cíclico Estado INICIAL = Estado FINAL Processos Reversíveis

  26. Máquinas Térmicas Módulo QQ→|QQ| Reservatório quente TQ QF→|QF| |QQ| Substância de trabalho FLUIDO válvula caldeira W condensador pistão |QF| Reservatório frio TF

  27. Conversão CALOR -TRABALHO Fonte quente TQ CALOR Processo Cíclico QQ Máquina W TRABALHO QF Fonte fria TF CALOR

  28. Conversão CALOR -TRABALHO Fonte quente TQ Entropia QQ |SQ| Processo Cíclico W QF |SF| Fonte fria TF

  29. Conversão CALOR -TRABALHO Eficiência Fonte quente TQ SQ QQ W QF SF Fonte fria TF

  30. Conversão CALOR -TRABALHO Fonte quente TQ Eficiência de Carnot SQ QQ W Maior h possível de uma máquina térmica cíclicaoperando entre TQ e TF QF SF Fonte fria TF

  31. Acúmulo de Entropia NÃO CÍCLICO Conversão CALOR -TRABALHO Fonte quente TQ SE SQ QQ W Para W’ QF SF Fonte fria TF

  32. W’ Entropia gerada pela máquina Por processos irreversíveis : atrito Conversão CALOR -TRABALHO Fonte quente TQ CASO QQ SQ W Para QF SF MÁQUINAS REAIS Fonte fria TF

  33. Conversão CALOR -TRABALHO MÁQUINAS REAIS

  34. 2º Lei da Termodinâmica O enunciado de Kelvin É impossível realizar um processo cujo único efeito seja remover calor de um reservatório térmico e produzir uma quantidade equivalente de trabalho.

  35. Acúmulo de Entropia NÃO CÍCLICO Conversão CALOR -TRABALHO Fonte quente TQ SE Entropia QQ SQ W Fonte fria TF

  36. Refrigeradores Coeficiente de Desempenho Fonte quente TQ QQ SQ W QF SF Fonte fria TF

  37. Refrigeradores Coeficiente de Desempenho de Carnot Fonte quente TQ QQ SQ W Maior K possível de uma refrigerador cíclicooperando entre TF e TQ QF SF Fonte fria TF

  38. W’ Acúmulo de Entropia NÃO CÍCLICO Refrigeradores Fonte quente TQ SE QQ SQ W Para QF SF Fonte fria TF

  39. W’ Entropia gerada pela máquina Por processos irreversíveis : atrito Refrigeradores Fonte quente TQ CASO SQ QQ Para W QF SF MÁQUINAS REAIS Fonte fria TF

  40. 2º Lei da Termodinâmica O enunciado de Clausius É impossível realizar um processo cujo único efeito seja transferir calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente.

  41. Acúmulo de Entropia NÃO CÍCLICO Refrigeradores Fonte quente TQ SE SQ QQ QF SF Fonte fria TF

  42. Fonte quente TQ QQm SQm Fonte quente TQ QQr SQr QFr SFr QFm SFm Fonte fria TF Fonte fria TF Máquina + Refrigerador =W= Resultado líquido : QQm=QQr QFm=QFr SQm=SQr SFm=SFr

  43. TQ TQ QQm QQr QFm QFr TF TF Máquina + Refrigerador SE Resultado líquido : QQm>QQr QFm>QFr =W=

  44. Resultado líquido : Refrigerador Perfeito Máquina + Refrigerador TQ SE TF

  45. TQ TQ QQm QQr QFm QFr TF TF Máquina + Refrigerador SE

  46. Resultado líquido : Máquina Perfeita Máquina + Refrigerador SE TQ TF

  47. Ciclo de Carnot Ciclo de processos reversíveis para máquina térmica e refrigerador com eficiência/desempenho de Carnot Máquinas Reais Processos Irreversíveis Atrito Transferências de calor entre corpos com temperaturas diferentes

  48. W>0 Ciclo de Carnot Expansão isotérmica TQ QQ Trocas de calor isotérmicas com reservatórios Mudanças de temperatura adiabaticas P Compressão adiabática Expansão adiabática QF Expansão isotérmica TF V

  49. Ciclo de Carnot 2 1 TQ 3 TF expansão isotérmica expansão adiabática 1 P QQ 4 2 W>0 3 QF 4 V compressão abiabática compressão isotérmica

  50. Outros Ciclos T1 T2 P 1 Q1 4 Q4 W>0 2 Q2 3 Q3 V Máquina de Stirling 1 : Expansão Isotérmica 2 : Resfriamento Isovolumétrico 3 : Compressão Isotérmica 4 : Aquecimento Isovolumétrico

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