Potência, motor de arranque, pistão, velocidade: confira o que as leis da termodinâmica têm a ver com o seu carro
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As leis da termodinâmica
Introdução
A Termodinâmica trata das relações da energia. Seus princípios dizem respeito a alguns sistemas bem definidos, normalmente uma quantidade bem determinada de matéria. Um sistema termodinâmico é aquele que pode interagir com a sua vizinhança, pelo menos de duas maneiras. Uma delas é necessariamente a transferência de calor.
Um exemplo usual é a quantidade de gás contida num cilindro com um pistão. A energia pode ser fornecida ao sistema por condução de calor, mas também é possível realizar trabalho mecânico sobre ele, já que o pistão exerce uma força que pode mover o seu ponto de aplicação.
As raízes da Termodinâmica firmam-se em problemas essencialmente práticos. Uma máquina a vapor ou uma turbina a vapor, por exemplo, usa o calor de combustão de carvão ou de outro combustível para realizar trabalho mecânico, a fim de movimentar um gerador elétrico, um trem ou outra função útil qualquer. O motor a gasolina de um automóvel tem uma função semelhante.
Por causa dessas aplicações práticas, é costume discutir as relações de energia em um sistema termodinâmico não tem termos de trabalho realizado sobre o sistema pela vizinhança, mas, sim, em termos de trabalho realizado pelo sistema em sua vizinhança, o que, à luz da Terceira Lei, de Newton, é o negativo do trabalho realizado sobre o sistema.
Todo sistema pode ser observado do ponto de vista das trocas de energia com o ambiente externo. É esse o aspecto que interessa à Termodinâmica, que estuda as leis pelas quais os corpos trocam (cedendo e recebendo) trabalho e calor com o ambiente que os circunda.
A Termodinâmica se baseia em duas leis, conhecidas como princípios da Termodinâmica, que têm um caráter extremamente amplo: a elas estão sujeitos todos os sistemas existentes na natureza, independentemente da sua complexidade e dos fenômenos que ocorram em seu interior.
O primeiro princípio da Termodinâmica é uma extensão do princípio da conservação de energia mecânica. Além do trabalho, ele inclui também o calor como forma de troca de energia. O segundo princípio da Termodinâmica estabelece algumas limitações à possibilidade de transformar calor em trabalho.
A primeira lei da termodinâmica
Partindo do princípio de que a energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada, temos então a primeira lei da termodinâmica, que está associada ao princípio de conservação de energia.
Usando-se o princípio da conservação de energia, é possível deduzir que a variação da energia interna do gás é igual à diferença entre a energia recebida (quantidade de calor) e a energia transferida para o meio (trabalho)
?U = Q – τ
Na hora de aplicar a expressão, é importante observar as seguintes convenções:
A segunda lei da termodinâmica
A primeira máquina térmica prática foi a máquina a vapor, inventada no séc. XVII para bombear água das minas de carvão. Atualmente, as máquinas a vapor são principalmente utilizadas para produzir energia elétrica. Não há necessidade de considerar os detalhes da operação da máquina a vapor ou de qualquer outro tipo, pois é possível representar qualquer espécie destas máquinas – a vapor, a combustão interna, a diesel – de forma esquemática.
Num sistema, o fluido operante (o vapor de água, por exemplo, no caso da máquina a vapor), recebe calor Q1 de uma fonte térmica quente, na temperatura T1. Ele realiza trabalho e rejeita a quantidade de calor Q2 para uma fonte térmica a uma temperatura mais baixa T2. O fluido operante retorna, então, ao estado inicial. Os índices 1 e 2 serão usados para representar as grandezas associadas com as fontes quente e fria, respectivamente.
A máquina é, portanto, um dispositivo que opera em ciclo. Nas diversas etapas do ciclo, ela recebe ou rejeita calor, e realiza trabalho. O seu objetivo é o de efetuar trabalho a partir do calor absorvido em cada ciclo.
Em suma: Para que uma máquina térmica consiga converter calor em trabalho, de modo contínuo, deve operar em ciclos entre duas fontes térmicas, uma quente e outra fria: retira calor da fonte quente (Q1) converte-o parcialmente em trabalho (τ) e rejeita o restante (Q2) para a fonte fria.
A Termodinâmica trata das relações da energia. Seus princípios dizem respeito a alguns sistemas bem definidos, normalmente uma quantidade bem determinada de matéria. Um sistema termodinâmico é aquele que pode interagir com a sua vizinhança, pelo menos de duas maneiras. Uma delas é necessariamente a transferência de calor.
Um exemplo usual é a quantidade de gás contida num cilindro com um pistão. A energia pode ser fornecida ao sistema por condução de calor, mas também é possível realizar trabalho mecânico sobre ele, já que o pistão exerce uma força que pode mover o seu ponto de aplicação.
As raízes da Termodinâmica firmam-se em problemas essencialmente práticos. Uma máquina a vapor ou uma turbina a vapor, por exemplo, usa o calor de combustão de carvão ou de outro combustível para realizar trabalho mecânico, a fim de movimentar um gerador elétrico, um trem ou outra função útil qualquer. O motor a gasolina de um automóvel tem uma função semelhante.
Por causa dessas aplicações práticas, é costume discutir as relações de energia em um sistema termodinâmico não tem termos de trabalho realizado sobre o sistema pela vizinhança, mas, sim, em termos de trabalho realizado pelo sistema em sua vizinhança, o que, à luz da Terceira Lei, de Newton, é o negativo do trabalho realizado sobre o sistema.
Todo sistema pode ser observado do ponto de vista das trocas de energia com o ambiente externo. É esse o aspecto que interessa à Termodinâmica, que estuda as leis pelas quais os corpos trocam (cedendo e recebendo) trabalho e calor com o ambiente que os circunda.
A Termodinâmica se baseia em duas leis, conhecidas como princípios da Termodinâmica, que têm um caráter extremamente amplo: a elas estão sujeitos todos os sistemas existentes na natureza, independentemente da sua complexidade e dos fenômenos que ocorram em seu interior.
O primeiro princípio da Termodinâmica é uma extensão do princípio da conservação de energia mecânica. Além do trabalho, ele inclui também o calor como forma de troca de energia. O segundo princípio da Termodinâmica estabelece algumas limitações à possibilidade de transformar calor em trabalho.
A primeira lei da termodinâmica
Partindo do princípio de que a energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada, temos então a primeira lei da termodinâmica, que está associada ao princípio de conservação de energia.
Usando-se o princípio da conservação de energia, é possível deduzir que a variação da energia interna do gás é igual à diferença entre a energia recebida (quantidade de calor) e a energia transferida para o meio (trabalho)
?U = Q – τ
Na hora de aplicar a expressão, é importante observar as seguintes convenções:
A primeira máquina térmica prática foi a máquina a vapor, inventada no séc. XVII para bombear água das minas de carvão. Atualmente, as máquinas a vapor são principalmente utilizadas para produzir energia elétrica. Não há necessidade de considerar os detalhes da operação da máquina a vapor ou de qualquer outro tipo, pois é possível representar qualquer espécie destas máquinas – a vapor, a combustão interna, a diesel – de forma esquemática.
Num sistema, o fluido operante (o vapor de água, por exemplo, no caso da máquina a vapor), recebe calor Q1 de uma fonte térmica quente, na temperatura T1. Ele realiza trabalho e rejeita a quantidade de calor Q2 para uma fonte térmica a uma temperatura mais baixa T2. O fluido operante retorna, então, ao estado inicial. Os índices 1 e 2 serão usados para representar as grandezas associadas com as fontes quente e fria, respectivamente.
A máquina é, portanto, um dispositivo que opera em ciclo. Nas diversas etapas do ciclo, ela recebe ou rejeita calor, e realiza trabalho. O seu objetivo é o de efetuar trabalho a partir do calor absorvido em cada ciclo.
Em suma: Para que uma máquina térmica consiga converter calor em trabalho, de modo contínuo, deve operar em ciclos entre duas fontes térmicas, uma quente e outra fria: retira calor da fonte quente (Q1) converte-o parcialmente em trabalho (τ) e rejeita o restante (Q2) para a fonte fria.
Na figura:
• T1 é a temperatura da fonte quente;
• T2 é a temperatura da fonte fria;
• Q1 é o calor cedido pela fonte quente;
• Q2 é o calor perdido para a fonte fria;
• τ é o trabalho termodinâmico.
Rendimento de uma máquina térmica
O rendimento η de uma máquina térmica é definido como a razão entre o trabalho realizado e o calor recebido.
Enunciado de Kelvin – Planck da Segunda Lei
Apesar de o rendimento das máquinas térmicas terem sido muito aumentado, a partir dos rendimentos muito baixos das máquinas primitivas, é impossível construir uma máquina elétrica 100% eficiente, isto é, uma máquina que não rejeite calor para uma fonte em temperatura mais baixa. Este resultado da experiência é conhecido como o enunciado de Kelvin-Planck para a segunda lei da termodinâmica:
É impossível que uma máquina qualquer, operando em ciclo, receba calor de uma fonte e execute uma quantidade equivalente de trabalho sem produzir nenhum efeito nas suas vizinhanças.
No caso de um refrigerador, que é semelhante a uma máquina térmica, mas absorve calor de um reservatório e o rejeita para uma fonte quente, para fazer esta operação, o refrigerador deve receber o trabalho τ. Sendo Q2 o calor absorvido e τ o trabalho realizado sobre o refrigerador, o calor rejeitado para a fonte quente é Q1 = τ + Q2.
O objetivo dos refrigeradores é o de transferir calor de um corpo frio para outro quente. É desejável que está transferência seja realizada com a menor quantidade possível de trabalho. A experiência demonstra que sempre é necessário trabalho τ para efetuá-la. Este resultado constitui a base do enunciado de Clausius para a segunda lei da termodinâmica:
É impossível que um refrigerador, operando em ciclo, transfira calor de um corpo frio para outro quente sem produzir nenhum outro efeito nas suas vizinhanças.
Uma medida da qualidade da operação do refrigerador é o coeficiente de eficiência η dado por:
Na maioria dos refrigeradores, observa-se que a quantidade de calor retirada é maior do que a quantidade de energia fornecida na forma de trabalho, pois o trabalho mecânico é o agente que direciona o fluxo de calor do mais frio para o mais quente.
O ciclo de Carnot
Em 1824, antes de a primeira lei da termodinâmica ter sido enunciada, um jovem engenheiro francês, Sadi Carnot, descreveu uma máquina ideal que operava entre duas fontes térmicas e descobriu que havia um limite teórico para o rendimento desta máquina, determinado pelas temperaturas das duas fontes térmicas. Esta máquina ideal é conhecida como máquina térmica de Carnot e o ciclo que efetua é o ciclo de Carnot:
Nenhuma máquina térmica que opera entre duas fontes térmicas pode ter rendimento maior que o de uma máquina operando reversivelmente entre estas mesmas fontes.
Nenhum motor térmico cíclico, que opere entre duas temperaturas, possui rendimento maior do que o motor de Carnot. Este ciclo consiste em duas transformações isotérmicas intercaladas com duas transformações adiabáticas, todas elas reversíveis, sendo o ciclo também reversível. Quando o ciclo é percorrido no sentido horário, temos uma máquina de Carnot e, se percorrido no sentido anti-horário, temos um refrigerador de Carnot.
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