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.