Segunda Lei da Termodinâmica

Resumidamente, a Primeira Lei da Termodinâmica trata do princípio da conservação de energia existentes nos sistemas termodinâmicos

ΔU = W – Q 

Em que representa calor, W trabalho e ΔU: variação da energia interna. Observa-se que o calor (Q) é a soma de trabalho (W) e da variação da energia interna (ΔU). Por outro lado, a Segunda Lei estuda a transformação do calor em trabalho, mencionada na Primeira Lei.

Historicamente, a Segunda Lei da Termodinâmica foi desenvolvida pelo  francês Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832). É interessa mencionar que nessa época a Primeira Lei da Termodinâmica ainda não eram totalmente conhecida. A contribuição de Carnot para a Segunda Lei da Termodinâmica pode ser reduzidas a duas conclusões importantes:

  1. A eficiência de uma máquina (cuja fonte é o calor) depende da natureza do processo cíclico em que ela opera, e não do material que sofre a transformação (substância de trabalho);
  2. Não existe máquina mais eficiente do que a de Carnot, pois ele descobriu o processo cíclico mais eficiente para converter calor em outras formas de energia.

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A Segunda Lei da Termodinâmica teve também as contribuições de  Rudolf Clausius (1822-1888), Lord Kelvin (1824-1907) e Max Planck (1858-1947).

O resultado dos trabalhos dos cientista citados anteriormente são dois enunciados que definem a Segunda Lei da Termodinâmica:

  • Enunciado de Clausius: o fluxo de calor ocorre espontaneamente do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura. O inverso seria uma transformação forçada, que dependeria do fornecimento de energia ao sistema para que ela ocorresse.
  • Enunciado de Kelvin-Planck: nenhuma máquina térmica, que funcione em ciclos, pode transformar toda a energia térmica recebida (calor) em energia mecânica (trabalho), ou seja, não existe uma máquina térmica com 100% de rendimento.

A Segunda Lei da Termodinâmica nos leva a uma conclusão bastante interessante. Os dois enunciados acima nos levar que sempre deverá existir energia térmica sendo rejeitada para a fonte fria (corpo com temperatura menor). Se não existisse uma fonte fria para receber a energia, não seria possível a saída de energia térmica da fonte quente (compor com temperatura maior). Observem o ciclo da Carnot abaixo

Os processos que podem ser observados no vídeo são:

  • Expansão isotérmica de A até B, que ocorre quando o gás retira calor da fonte quente;
  • Expansão adiabática de B até C, sendo que o gás não troca calor;
  • Compressão isotérmica de C até D, pois o gás rejeita calor para a fonte fria;
  • Compressão adiabática de D para A, pois não ocorre troca de calor.

Fórmula

Para o cálculo do rendimento de uma máquina de Carnot usamos a seguinte fórmula: R = 1 – T2/T1

Sendo: R o rendimento da máquina de Carnot, T1 a temperatura da fonte quente em Kelvin (K) e T2 a temperatura da fonte fria em Kelvin (K).