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Segunda lei da termodinâmica

Segunda lei da termodinâmica

A segunda lei da termodinâmica é um princípio da termodinâmica clássica que afirma irreversibilidade termodinâmica de muitos eventos, tais como a passagem de calor a partir de um quente para um corpo frio. Ao contrário de outras leis da física e a lei da gravitação universal e as equações de Maxwell, o segundo princípio é fundamentalmente ligada à seta do tempo.

O segundo princípio da termodinâmica tem várias formulações equivalentes, uma das quais é baseada na introdução de uma função de estado, a entropia: neste caso, o segundo princípio afirma que a 'entropia de um sistema isolado do equilíbrio térmico tende a aumentar com o tempo até que o equilíbrio seja alcançado. Na mecânica estatística, clássica e quântica, a entropia é definida a partir do volume no espaço de fase ocupado pelo sistema para satisfazer automaticamente (por construção) o segundo princípio.

Formulações da segunda lei da termodinâmica

Existem muitas formulações equivalentes deste princípio. Aqueles que historicamente provaram ser os mais importantes são:

"É impossível realizar uma transformação cujo único resultado seja transferir o calor de um corpo mais frio para um mais quente sem a contribuição do trabalho externo" (formulação de Clausius).

"É impossível realizar uma transformação cíclica cujo único resultado é a transformação no trabalho de todo o calor absorvido por uma fonte homogênea" (formulação de Kelvin - Planck).

"É impossível fazer uma máquina térmica cuja eficiência seja 100%".

Na física moderna, no entanto, a formulação mais usada é aquela baseada na função de entropia:

"Em um sistema isolado, a entropia é uma função que não diminui com o tempo"

Este princípio teve um impacto significativo do ponto de vista histórico. De fato, ela sanciona implicitamente a impossibilidade de realizar o chamado movimento perpétuo da segunda espécie e, pela irreversibilidade dos processos termodinâmicos, define-se uma seta de tempo.

Os dois princípios da termodinâmica macroscópica também se aplicam a sistemas abertos e são generalizados através da exergia.

Equivalência das duas primeiras declarações

A equivalência da sentença de Kelvin-Planck e a sentença de Clausius podem ser mostradas pelo seguinte argumento para o absurdo.

No que se segue, por razões de brevidade e clareza a ser denotada por Kelvin a proposição correspondente enunciou Kelvin, com não-Kelvin sua negação, com Clausius a proposição correspondente enunciou Clausius e sem Clausius sua negação.

Kelvin implica Clausius

Esquematização de uma máquina térmica baseada em uma máquina anti-Clausius, que viola a afirmação de Kelvin

Suponhamos que é absurdo que a alegação de Clausius seja falsa, ou seja, que exista uma máquina de refrigeração cíclica capaz de transferir calor de uma fonte fria para uma quente, sem a contribuição do trabalho externo.

Seja Q a quantidade transferida para cada ciclo da máquina da fonte fria para a quente.

Então podemos fazer um trabalho da máquina térmica entre as duas fontes, de forma que subtraia em cada ciclo uma quantidade de calor Q 'da fonte de calor, a transferência para a quantidade fria QA e converta a diferença Q' - Q no trabalho.

A fonte fria e em seguida é submetido a nenhuma transferência de calor líquido e, por conseguinte, os nossos máquinas térmicas do sistema é a remoção de calor, em geral, apenas a fonte quente, produzindo apenas trabalho em violação da formulação Kelvin-Planck do segundo princípio .

Clausius implica Kelvin

Esquematização de uma máquina térmica baseada em uma máquina anti-Kelvin, que viola a afirmação de Clausius

Agora suponha que podemos converter completamente o calor em trabalho, extraído por uma máquina cíclica de uma única fonte S a uma temperatura constante.

Seja L esse trabalho extraído em um ciclo.

Então podemos pegar uma segunda fonte S 'a uma temperatura mais alta e operar uma máquina de refrigeração entre as duas fontes, que absorve o trabalho produzido pela outra máquina em cada ciclo.

Portanto, há uma transferência líquida de calor da fonte fria S para a fonte quente S ', violando a declaração de Clausius.

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Última revisão: 17 de maio de 2018