As máquinas a vapor foram importantes avanços para a produção industrial. Essas máquinas estão relacionadas à segunda lei da Termodinâmica. Vamos discutir neste post sobre: O que são máquinas térmicas? O que a segunda lei da Termodinâmica afirma? O que é entropia?
Uma locomotiva a vapor pode ser modelada como uma máquina térmica
O que são máquinas térmicas?
São aparelhos que, operando entre dois reservatórios de energia, são capazes de transformar calor em trabalho. Entretanto, essa transformação não ocorre de maneira 100%, ou seja, na prática, o calor não é totalmente convertido em trabalho mecânico.
Os reservatórios de energia são: um reservatório quente e um reservatório frio. A máquina térmica transforma uma certa quantia da energia absorvida do reservatório quente em trabalho útil. A outra parcela da energia absorvida é expelida para o reservatório frio. A figura abaixo é uma representação de uma máquina térmica.
A 2° lei da Termodinâmica
Baseados nas máquinas térmicas, existem dois enunciados para a 2° lei da Termodinâmica. O primeiro é o enunciado de Kelvin-Planck, o qual afirma que não é possível fazer uma máquina térmica, que opere em ciclos, capaz de transformar o calor totalmente em trabalho mecânico.
Em outras palavras, apesar de uma porção da energia absorvida do reservatório quente ser transformada em trabalho útil, existe uma outra parcela da energia absorvida que é transformada em formas de energia que não são úteis para a realização de trabalho.
Em todas as transformações de energia, parte dela é convertida em formas úteis e outra em formas que não são úteis. Por exemplo, quando uma bola a uma certa altura h é solta do repouso em direção ao solo, ela irá pular várias vezes antes de entrar em repouso.
O que aconteceu com a energia potencial gravitacional que a bola possuía inicialmente? Ela é convertida em energia cinética, assim como em energia interna no solo e na bola. Além disso, a energia é distribuída na forma de ondas sonoras. No final das contas, não foi possível converter toda a energia potencial gravitacional em energia cinética. Houve, portanto, a dissipação da energia em formas que não eram desejadas.
Dessa maneira, não é possível transformar uma forma de energia totalmente em outra. Ocorre a dissipação de energia ou a degradação de energia. A entropia é uma função de estado associada à segunda lei da Termodinâmica usada para nos referirmos à degradação de energia.
O segundo enunciado da segunda lei da Termodinâmica é o de Clausius. Também baseia-se nas máquinas térmicas. Na figura com a representação da máquina térmica, vemos que o sentido natural do processo é do reservatório quente para o reservatório frio. O enunciado de Clausius afirma que é impossível que o processo ocorra no sentido inverso sem que trabalho seja realizado sobre o sistema.
Em outras palavras, espontaneamente, energia é transferida do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura, uma vez que ambos estão em contato térmico. Para que o processo ocorresse no sentido inverso, seria preciso a realização de trabalho sobre o sistema.
Variação de entropia em processos irreversíveis
Os processos reais são irreversíveis, ou seja, num processo cíclico, não é possível retornar às condições iniciais, mantendo um estado de equilíbrio do sistema termodinâmico. Se fosse possível, teríamos os chamados processos reversíveis.
Nos processos cíclicos reais numa máquina térmica, por exemplo, ocorre a dissipação de energia por atrito e por condução. Então, nos processos reais ocorre a degradação de energia de modo que a entropia aumenta continuamente no Universo.
Fontes consultadas
Para a escrita desse post, os livros Física para cientistas e engenheiros dos autores Serway e Jewett e Física Conceitual do autor Paul G. Hewitt foram consultados.