The Second Law of Thermodynamics
The second law of thermodynamics puts a limit on how efficient the energy conversion processes can be. Embora a energia transferida como calor é realmente transferência de energia, há algo diferente sobre a energia de calor. A forma como os cientistas definem o calor é um pouco diferente da forma como a maioria das pessoas entende o calor. Se dois corpos de temperaturas diferentes forem colocados em contato um com o outro, haverá uma transferência de energia do corpo quente para o corpo frio e essa transferência continuará até que os dois corpos sejam a mesma temperatura. Esta transferência de energia é chamada de calor. A temperatura de cada corpo é devida à sua “energia interna”.”Esta energia é armazenada como a energia cinética das moléculas vibrantes e móveis e é uma função da temperatura e pressão do material. Quanto mais quente o material, mais depressa as moléculas se movem. Quando a energia é transferida como calor, o corpo mais quente perde parte de sua energia interna e o corpo mais frio ganha alguma energia interna. Portanto, é incorreto dizer que um corpo quente contém calor; ele contém energia interna e pode transferir parte dessa energia para um corpo mais frio como calor. O corpo mais frio converte então essa energia em energia interna. A transferência dessa energia interna é o que se chama calor. O leitor pode agora voltar à seção anterior sobre a primeira lei da termodinâmica e ver todos os meus erros deliberados escritos sobre a palavra calor. Por exemplo, eu disse que no sol “átomos de hidrogênio são fundidos juntos sob intenso calor e pressão para formar átomos de hélio.”This is not correct; I should have said that” hydrogen atoms are funded together at very high temperatures and pressures to form helium atoms.”
existem três diferentes métodos de transferência de calor: condução, convecção e radiação.
quanta calor pode ser transferido entre dois corpos depende de suas temperaturas e do método de transferência de calor. A energia térmica não pode ser totalmente convertida em trabalho ou energia mecânica, eletricidade ou qualquer outra forma de energia. Isto tem um grande impacto na eficiência dos motores de calor. Quando o combustível é queimado em um motor de calor, a energia química que é armazenada nas ligações químicas das moléculas de combustível é liberado. Esta energia é transferida para o motor como calor; no entanto, nem todo esse calor pode ser convertido em energia mecânica. Quando as pessoas estavam desenvolvendo e tentando aperfeiçoar motores de calor, como o motor de combustão interna, eles descobriram essa limitação e tiveram que entendê-la. O resultado foi a formulação da Segunda Lei da termodinâmica.
o trabalho seminal nesta área foi devido a um engenheiro francês chamado Sadi Carnot. Em 1824, publicou um artigo intitulado “Reflections on the Motive Power of Fire and the Machines Neededed to Develop This Power”. Este artigo apresentou a ideia de que a quantidade de trabalho feito por um motor de calor é devido ao fluxo de calor de um corpo quente para um frio. A compreensão de Carnot sobre o calor ainda estava atolada na teoria calórica incorreta do calor, mas suas conclusões ainda eram válidas. His analysis determined that the theoretical heat that could be transferred to the heat engine was proportional to the temperature difference between the heat source (the hot body) and the heat sink (the cold body). Esta análise permitiu-lhe calcular a eficiência teórica de um motor de calor, que acabou por ser muito menor do que a eficiência de outros processos de conversão de energia.Usando a análise de Carnot, várias pessoas foram capazes de deduzir diferentes afirmações da Segunda Lei da termodinâmica. Alguns destes são:
é impossível produzir trabalho no meio circundante utilizando um processo cíclico ligado a um único reservatório de calor (Thomson, 1851).
é impossível realizar um processo cíclico utilizando um motor ligado a dois reservatórios de calor que tem como único efeito a transferência de uma quantidade de calor de baixa temperatura do reservatório a alta temperatura do reservatório (Clausius, 1854).
em qualquer processo, a entropia do universo aumenta, fazendo-o tender para um máximo (Clausius, 1865).
esta terceira afirmação introduz o conceito de entropia e coloca a lei em uma base mais matemática. Uma vez que a quantidade de calor transferida em qualquer processo depende da temperatura do corpo, transferindo o calor, a entropia é definida como o calor transferido dividido pela temperatura, T, em que é transferido. Dando entropia, o símbolo S e o calor transferiram o símbolo Q, Por definição:
uma certa compreensão da entropia é necessária para compreender plenamente as limitações do uso de energia. Isto é ilustrado no Apêndice A e discutido na secção seguinte.
uma das consequências da Segunda Lei da termodinâmica é que, quando você queima combustível para conduzir um motor de calor, apenas parte do calor do combustível pode ser convertido para trabalhar no motor. O resto deve ser rejeitado para um dissipador de calor, que é geralmente a atmosfera em torno do motor. Consequentemente, os motores de calor são inerentemente ineficientes. Outra consequência é que o aquecimento de sua casa com um elemento de aquecimento elétrico vai ser muito mais caro do que usar a maioria dos outros combustíveis. Isto porque a eletricidade foi criada usando um motor de calor ineficiente, onde parte do calor teve que ser rejeitado para o ambiente. Se seu objetivo é aumentar a temperatura de algum espaço (como sua casa), é melhor queimar um combustível diretamente e capturar o máximo de calor em sua casa quanto possível. A eficiência do aquecimento direto por queima de um combustível é muito maior do que a criação de eletricidade, onde parte do calor deve ser perdido. Tudo isso foi analisado por Sadi Carnot usando seu ciclo Carnot e publicado em 1824.Sadi Carnot foi o filho mais velho de um revolucionário francês chamado Lazare Carnot e nasceu em 1 de junho de 1796, durante o auge da Revolução Francesa. Sadi estudou na École Polytechnique a partir de 1812. Quando Sadi se formou em 1814, o Império de Napoleão estava em fuga e os exércitos europeus estavam invadindo a França. Durante o retorno de Napoleão ao poder em 1815, o pai de Sadi, Lazare Carnot, foi Ministro do Interior por alguns meses. Após a derrota final de Napoleão no final daquele ano, Lazare fugiu para a Alemanha, nunca mais voltou para a França.Sadi Carnot foi um oficial do exército durante a maior parte de sua vida, mas em 1819 ele semiretirou do exército e começou a dedicar sua atenção ao Projeto de motores a vapor. Estes motores foram os principais cavalos de trabalho da Europa, particularmente da Grã-Bretanha, e foram usados para bombear água de minas, portos de dragagem e rios, moendo trigo, e fiação e tecelagem de tecidos; no entanto, eles eram um pouco ineficientes. A importação dos mais avançados motores a vapor britânicos para a França após a guerra mostrou Carnot até onde os franceses haviam ficado para trás em sua tecnologia. Ele ficou particularmente consternado por os britânicos terem progredido tanto através do gênio de alguns engenheiros que não tinham nenhuma educação científica real. Os engenheiros britânicos também haviam acumulado e publicado dados confiáveis sobre a eficiência de muitos tipos de motores em condições reais de funcionamento; eles discutiram sobre os méritos de motores de baixa e alta pressão e de motores de cilindro único e Multi-Cilindro.
Carnot entendeu implicitamente que as grandes civilizações precisam aproveitar a energia para avançar sua tecnologia. Convencido de que a utilização inadequada do vapor pela França foi um fator em sua queda, ele começou a escrever um trabalho não técnico sobre a eficiência dos motores a vapor. Outros trabalhadores antes dele tinham examinado a questão de melhorar a eficiência dos motores a vapor, comparando a expansão e compressão do vapor com a produção de trabalho e consumo de combustível. Em seu ensaio, Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance (Reflexões sobre a força Motriz do Fogo e as Máquinas Necessárias para Desenvolver Esse Poder), publicado em 1824, Carnot, deu um monte de atenção para a teoria do processo, não a respeito de si mesmo, como outros haviam feito, com seus detalhes mecânicos.
Carnot afirmou que, em uma máquina a vapor, a potência motriz é produzida quando o calor ” cai ” da temperatura mais alta da caldeira para a temperatura mais baixa do condensador, assim como a água, ao cair, fornece energia em uma roda d’água. Ele trabalhou dentro da estrutura teórica da teoria calórica do calor, assumindo que o calor era um gás que não poderia ser criado nem destruído. Embora esta suposição fosse incorreta e o próprio Carnot tivesse dúvidas sobre isso, mesmo enquanto ele estava escrevendo seu ensaio, muitos de seus resultados eram, no entanto, verdade. Uma delas foi a sua previsão de que a eficiência de um motor idealizado depende apenas da temperatura de suas partes mais quentes e frias e não da substância (vapor ou qualquer outro fluido) que impulsiona o mecanismo.
Carnot entendeu que todo sistema termodinâmico existe em um estado termodinâmico particular. Quando um sistema é levado através de uma série de estados diferentes e finalmente retornado ao seu estado inicial, um ciclo termodinâmico é dito ter ocorrido. No processo de passar por este ciclo, o sistema pode realizar o trabalho em seu entorno, agindo assim como um motor de calor. O ciclo que ele propôs e usou em sua análise é agora conhecido como o ciclo Carnot. Um sistema submetido a um ciclo Carnot é chamado de motor de calor Carnot, embora tal motor “perfeito” é apenas teórico e não pode ser construído na prática.
os detalhes matemáticos do ciclo de Carnot são mostrados no Apêndice A, mas não é necessário compreender plenamente esses detalhes para apreciar a sua utilidade. O ciclo de Carnot quando age como uma máquina de calor, consiste nos seguintes quatro passos:
reversível e expansão isotérmica do fluido de trabalho à temperatura “quente”, TH (adição de calor isotérmico). Durante este passo, o combustível é queimado criando a temperatura quente e fazendo com que o fluido de trabalho ou gás para expandir. O gás em expansão faz o pistão do motor trabalhar no ambiente. Como o pistão é forçado a se mover, ele dirige um eixo que converte o trabalho em energia cinética. A expansão do gás é impulsionada pela absorção de calor do reservatório de alta temperatura criado pela queima de combustível.
uma expansão reversível e adiabática (isentrópica) do fluido de trabalho (saída de trabalho isentrópica). Lembre – se que adiabático significa que não há calor transferido. Isentrópico significa que a entropia do sistema permanece constante. Para este passo, o pistão e o cilindro são considerados isolados termicamente (adiabáticos), assim eles não ganham nem perdem calor. O gás continua a expandir-se, trabalhando nos arredores. Quando o gás se expande também arrefece, perdendo energia. Uma vez que o processo é isolado, no entanto, não pode perder essa energia como calor. Isso força o gás a continuar a trabalhar, dirigindo o pistão. Esta expansão do gás faz com que arrefeça até à temperatura “fria”, TC.
compressão isotérmica reversível do gás à temperatura” fria”, TC (rejeição do calor isotérmico). Nesta etapa, o ambiente funciona no gás, o que faz com que uma quantidade de calor a fluir para fora do gás para o reservatório de baixa temperatura.
compressão isentrópica do gás (input de trabalho isentrópico). Mais uma vez, o pistão e o cilindro são considerados isolados termicamente (ou adiabáticos). Durante este passo, os arredores, através do pistão, trabalhar sobre o gás, comprimindo-o e fazendo com que a temperatura para subir para TH. Neste ponto, o gás está no mesmo estado que no início do primeiro passo.
a antítese de um motor térmico é um frigorífico. Um motor de calor queima combustível como parte de um ciclo termodinâmico para criar calor que é convertido em energia mecânica. Uma geladeira envia o ciclo na direção oposta e usa energia elétrica para criar energia mecânica que, em seguida, bombeia calor do corpo frio para o corpo mais quente.
a eficiência do motor térmico, η, é definida como o trabalho produzido dividido pela entrada de calor do reservatório a quente. No Apêndice A, a eficiência é calculada da seguinte forma:
Onde
W é o trabalho realizado pelo sistema (energia de sair do sistema como o trabalho).
QH é o calor colocado no sistema (energia térmica entrando no sistema).
TC é a temperatura absoluta do reservatório a frio.Esta é a temperatura absoluta do reservatório quente.Esta eficiência descreve a fração da energia térmica extraída do reservatório quente e convertida em trabalho mecânico. Um ciclo Rankine é geralmente a aproximação prática de um ciclo Carnot para uma máquina a vapor. Mostra-se, no Apêndice A, que, para qualquer ciclo que funcione entre as temperaturas TH E TC, Nenhum pode exceder a eficiência de um ciclo de Carnot.
o teorema de Carnot é uma declaração formal desse facto: Sem motor operando entre dois reservatórios de calor pode ser mais eficiente que um motor de Carnot operando entre os mesmos reservatórios. A equação 3.1 dá a máxima eficiência possível para qualquer motor utilizando as temperaturas correspondentes. Um corolário do teorema de Carnot afirma que: Todos os motores reversíveis que funcionam entre os mesmos reservatórios de calor são igualmente eficientes. O lado direito da equação 3.1 dá o que pode ser uma forma mais facilmente compreendida da equação: a eficiência máxima teórica de um motor térmico é igual à diferença de temperatura entre o reservatório quente e frio dividida pela temperatura absoluta do reservatório quente. Para encontrar a temperatura absoluta em graus Kelvin, adicione 273,15° à temperatura Celsius. Para encontrar a temperatura absoluta em graus Rankine, adicione 459,6° à temperatura Fahrenheit. Olhando para a fórmula da equação 3.1, um fato interessante torna-se aparente. Baixar a temperatura do reservatório frio terá mais efeito sobre a eficiência do teto de um motor de calor do que elevar a temperatura do reservatório quente pela mesma quantidade. No mundo real, isso pode ser difícil de alcançar, uma vez que o reservatório frio é muitas vezes uma temperatura ambiente existente, como a atmosfera.
em outras palavras, a eficiência máxima é alcançada se não for criada nova entropia no ciclo. Na prática, a descarga de calor necessária no ambiente para eliminar o excesso de entropia conduz a uma redução da eficiência. A equação 3.1 dá a eficiência de qualquer motor térmico teoricamente reversível.
Carnot percebeu que na realidade não é possível construir um motor termodinamicamente reversível. Os motores de calor reais são menos eficientes do que os indicados na equação 3.1. No entanto, a equação 3.1 é extremamente útil para determinar a máxima eficiência que poderia ser esperada para um dado conjunto de reservatórios térmicos.
existem quatro ciclos práticos de motores de calor em uso amplo hoje, cada um tentando aproximar o ciclo termodinâmico Carnot. Eles são
o ciclo Otto, que é a base do motor a gasolina.
o ciclo Diesel, comercializado no motor Diesel.
The Rankine cycle, the basis for steam engines widely used today in power plants to generate electricity.
o ciclo Brayton usado em turbinas a gás que são usadas para gerar eletricidade ou fornecer impulso.
há também o ciclo de Stirling que pode ser usado para fazer um prático motor de calor de combustão externa, mas este motor nunca foi comercializado. Apesar disso, há um monte de interesse em desenvolver motores de Stirling porque uma grande variedade de combustíveis podem ser usados para conduzir tais motores, incluindo a energia solar. O motor de Stirling é uma alternativa ao motor de ciclo Rankine.
a declaração de entropia da Segunda Lei também permite que os cientistas analisem reações químicas, o comportamento de fase dos fluidos, e muitos outros processos aparentemente não conectados. Também explica porque as pessoas dizem que usam energia quando estão realmente convertendo energia de uma forma em outra. Quando o combustível é queimado para gerar energia, a energia química é convertida em calor e, em seguida, parte dessa energia térmica é convertida em eletricidade. Algumas delas também são rejeitadas para a atmosfera onde já não são utilizáveis. Esta eletricidade cria luz em uma lâmpada, que também é perdida como calor para a atmosfera.
se o combustível é usado para alimentar um motor de combustão interna para conduzir um automóvel depois de algum do calor é rejeitado para a atmosfera, o resto da energia do combustível cria energia cinética útil e utilizável. Toda essa energia cinética é eventualmente perdida como calor friccional, que também é perdida para a atmosfera. Toda a energia que “usamos” se perde como calor que foi transferido para a atmosfera, parte da qual é então irradiada através do espaço para outras partes do universo.Outra consequência da primeira e Segunda Leis da termodinâmica é que máquinas de movimento perpétuo não são possíveis. A primeira lei simplesmente afirma que se você colocar uma máquina em movimento, fornecendo-lhe energia, ela poderia continuar funcionando para sempre em um ambiente sem fricções. Você não poderia extrair mais energia de volta do que você colocou dentro porque isso violaria a primeira lei. A segunda lei diz que você não pode sequer sair tanto quanto você coloca dentro porque parte da energia é perdida como o calor via fricção. Máquinas de movimento perpétuo caem em duas categorias: aquelas que violam a primeira lei da termodinâmica e aquelas que violam a Segunda Lei da termodinâmica.
o parâmetro da entropia é também uma medida da aleatoriedade do universo, e a segunda lei afirma que a aleatoriedade do universo está aumentando. Em outras palavras, à medida que os processos se desenrolam, os elementos do universo tendem a um estado mais desordenado.
a resposta à pergunta ” O que queremos dizer quando dizemos que usamos energia?”é que a energia disponível é usada e então convertida em energia indisponível. A energia elétrica, a energia potencial, a energia cinética e a energia química nos combustíveis são todas as formas de energia disponíveis. A energia perdida para a atmosfera à medida que o calor se torna principalmente energia indisponível. É difícil extrair energia da atmosfera porque a temperatura não é suficientemente alta. O efeito cumulativo da energia perdida para a atmosfera ou para o oceano é que ela também é continuamente irradiada para o resto do universo, onde se torna completamente indisponível. A Segunda Lei da termodinâmica rege este processo.
as leis da termodinâmica têm muitas mais aplicações do que foram mostradas aqui, mas isso está além do escopo deste livro. Aqui é simplesmente necessário ter um pouco de compreensão das leis da termodinâmica para que os processos de energia possam ser entendidos um pouco melhor.