Disciplina: Fsica

Frente: Trmicos

Professor responsvel: Cliff Robi Alves Monteiro

Tema: Princpios (leis) da Termodinmica

Resumo: Segundo princpio da termodinmica e condies para que ocorram e

exerccios de fixao.

Segundo princpio da termodinmica:

Enquanto o primeiro princpio da termodinmica estabelece a conservao de energia em qualquer transformao, o segundo princpio estabelece condies para que as transformaes termodinmicas possam ocorrer.

Dentre as duas leis da termodinmica, a segunda a que tem maior aplicao na construo de mquinas e utilizao na indstria, pois trata diretamente do rendimento das mquinas trmicas.

Dois enunciados, aparentemente diferentes, ilustram a 2 Lei da Termodinmica, os enunciados de Clausius e Kelvin-Planck:

Enunciado de Clausius:

O calor no pode fluir, de forma espontnea, de um corpo de temperatura menor, para outro corpo de temperatura mais alta.

Tendo como consequncia que o sentido natural do fluxo de calor da temperatura mais alta para a mais baixa, e que para que o fluxo seja inverso necessrio que um agente externo realize um trabalho sobre este sistema.

Enunciado de Kelvin-Planck:

impossvel a construo de uma mquina que, operando em um ciclo termodinmico, converta toda a quantidade de calor recebido em trabalho.

Este enunciado implica que, no possvel que um dispositivo trmico tenha um rendimento de 100%, ou seja, por menor que seja, sempre h uma quantidade de calor que no se transforma em trabalho efetivo.

Vejamos como se d o funcionamento de uma mquina trmica. Ela recebe o

calor de uma fonte quente; parte desse calor convertido em trabalho mecnico, e o

restante rejeitado para uma fonte fria.

De acordo com o primeiro princpio (conservao de energia) temos:

Q1 = +Q2 ou =Q1 -Q2

Isto , o trabalho realizado pela mquina (energia til) dado pela diferena

entre o calor recebido da fonte quente (Q1) e o calor rejeitado (perdido) para a fonte

fria (Q2).

Rendimento trmico:

O rendimento () de um motor trmico obtido comparando-se o trabalho

realizado por ele em relao quantidade de calor recebido, ou seja:

1

21

1 Q

QQ

Q

1

21Q

Q

Obs. 1- impossvel obter um rendimento de 100% ( = 1) numa mquina trmica, pois o calor cedido fonte fria (Q2) nunca zero, conforme nos diz o segundo princpio da termodinmica. Obs. 2 A potncia de uma mquina trmica, operando em ciclos,

dada pelo quociente entre o trabalho realizado em cada ciclo e o

correspondente intervalo de tempo, ou seja:

tP

Ciclo de Carnot:

O fsico francs Nicolas Leonard Sadi Carnot, considerado o fundador da

termodinmica, realizou vrios estudos sobre o rendimento das mquinas trmicas e

idealizou um ciclo que proporcionaria um rendimento mximo a uma mquina trmica.

Esse ciclo, denominado ciclo de Carnot, constitudo de duas transformaes

isotrmicas e duas adiabticas, alternadas conforme a figura:

O calor provoca a expanso de um gs aquecido e pode ser transformado em trabalho mecnico.

Observe que: na expanso isotrmica AB o gs retira calor da fonte quente ( Q1 = QAB ) na expanso adiabtica BC o gs no troca calor (QBC = 0) na compresso isotrmica CD o gs rejeita calor para a fonte fria (Q2 = QCD) na compresso adiabtica DA o gs no troca calor (QDA = 0)

Em cada ciclo de Carnot, ABCDA, as quantidades de calor Q1 e Q2, trocadas

com as fontes quente e fria, so proporcionais s respectivas temperaturas das fontes.

Assim temos:

1

2

1

2

T

T

Q

Q

1

21T

Tmx

Essa expresso nos d o rendimento mximo de qualquer motor trmico

operando em ciclos entre duas temperaturas T1 e T2, em kelvins, sendo T1 > T2.

Exerccios

1- Uma mquina trmica, funcionando entre as temperaturas de 127C (fonte

quente) e 27C (fonte fria), realiza 5cps (ciclos por segundo). Em cada ciclo, ela

recebe 800J de calor da fonte quente e rejeita 640J de calor para a fonte fria.

Determine: (Dado: 1hp = 750W)

a- o rendimento da mquina; (20%)

b- o trabalho realizado em cada ciclo e a potncia da mquina, em hp; (160J e 1,1hp)

c- o rendimento mximo da mquina, se operasse segundo o ciclo de Carnot. (25%)

2- Um motor trmico executa o ciclo mostrado na figura ao lado. Sabendo que,

em cada ciclo, ele recebe 500cal de calor da fonte quente, determine: (dado:

considere 1cal = 4J).

a- o trabalho realizado pela mquina em cada ciclo; (500J)

b- b) o rendimento e o calor rejeitado para a fonte fria, em cada ciclo. (25% e 1,5kJ)

3- A figura a seguir representa o ciclo de Carnot, para um gs ideal. Nessas

condies, correto afirmar:

(01) Na compresso adiabtica, a energia interna do gs diminui. (02) Na expanso isotrmica, o gs recebe calor de uma das fontes. (04) Na expanso adiabtica, a temperatura do gs diminui. (08) Na compresso isotrmica, a energia interna do gs diminui. (16) Na transformao cclica, o gs atinge o equilbrio trmico com a fonte

quente, antes de reiniciar novo ciclo.

Soma ( ) (02+04+16=22)

4- Um motor trmico efetua 20 ciclos em 4 segundos. Em cada ciclo, ele retira

1,2kcal de uma fonte quente e libera 0,8kcal para uma fonte fria. Determine:

(dado: considere 1cal = 4,2J)

a- o trabalho realizado em cada ciclo; (1,7kJ)

b- o rendimento do motor; (33%)