A 2ª lei da termodinâmica

A 2ª lei da termodinâmica

A lei de Stefan-Boltzmann

Ela trata da irradiação térmica, um processo que não necessita de meio material para transmitir energia térmica. Dessa forma, pode ser definida como a propagação de calor através de ondas eletromagnéticas. Dentre a diversidade de ondas eletromagnéticas, os raios infravermelhos são os que apresentam efeitos térmicos com maior intensidade.

Nas estufas, a luz radiante atravessa suas paredes de vidro transparente, sendo absorvida pelos diversos corpos contidos em seu interior. Em seguida, esta energia é emitida na forma de raios infravermelhos que não conseguem atravessar o vidro. Dessa forma, a temperatura interna se mantém mais elevada do que a temperatura externa.

O mesmo fenômeno é observado quando se trata do efeito estufa, que ocorre pelo fato de o dióxido de carbono e o vapor d’água contidos na atmosfera agirem como dificultadores da propagação dos raios infravermelhos. Com isso, a energia térmica emitida pela Terra fica, em parte, retida na superfície terrestre, provocando seu aquecimento.

O corpo hipotético, que é logicamente um emissor ideal, é denominado corpo negro. Define-se poder emissivo (E) como a potência irradiada por unidade de área. A unidade do poder emissivo é dada em W/m2 (watt por metro quadrado). Dito isso, a lei de Stefan-Boltzmann é definida da seguinte maneira:

Poder emissivo (E) de um corpo negro (cn) é proporcional à quarta potência de sua temperatura absoluta (T). Matematicamente, podemos expressar:

Ecn= σ .T4

Onde σ (sigma)é a constante de proporcionalidade, cujo valor, no SI, é:

σ ≅5,7 .10-8  W/m2.K4

Máquinas térmicas-ciclo de carnot

Até meados do século XIX, acreditava-se ser possível a construção de uma máquina térmica ideal, que seria capaz de transformar toda a energia fornecida em trabalho, obtendo um rendimento total (100%).

Para demonstrar que não seria possível, o engenheiro francês Nicolas Carnot (1796-1832) propôs uma máquina térmica teórica que se comportava como uma máquina de rendimento total, estabelecendo um ciclo de rendimento máximo, que mais tarde passou a ser chamado Ciclo de Carnot.

Este ciclo seria composto de quatro processos, independente da substância:

• Uma expansão isotérmica reversível. O sistema recebe uma quantidade de calor da fonte de aquecimento (L-M)
• Uma expansão adiabática reversível. O sistema não troca calor com as fontes térmicas (M-N)
• Uma compressão isotérmica reversível. O sistema cede calor para a fonte de resfriamento (N-O)
• Uma compressão adiabática reversível. O sistema não troca calor com as fontes térmicas (O-L)

Numa máquina de Carnot, a quantidade de calor que é fornecida pela fonte de aquecimento e a quantidade cedida à fonte de resfriamento são proporcionais às suas temperaturas absolutas, assim:

‘ O rendimento de uma máquina de Carnot pode ser expresso por:

e

Logo:

Sendo:

= temperatura absoluta da fonte de resfriamento

= temperatura absoluta da fonte de aquecimento

Com isto pode-se concluir que para haver 100% de rendimento, todo o calor vindo da fonte de aquecimento deverá ser transformado em trabalho, pois a temperatura absoluta da fonte de resfriamento deverá ser 0K. Ao observar essa relação conclui-se que o zero absoluto não é possível para um sistema físico.

Entropia

Em termodinâmica, entropia pode ser descrita como a medida de desordem das partículas em um sistema físico. Utiliza-se a letra S para representar esta grandeza.

Comparando este conceito ao cotidiano, podemos pensar que, uma pessoa ao iniciar uma atividade tem seus objetos organizados, e à medida que ela vai os utilizando e desenvolvendo suas atividades, seus objetos tendem a ficar cada vez mais desorganizados.

Voltando ao contexto das partículas, como sabemos, ao sofrem mudança de temperatura, os corpos alteram o estado de agitação de suas moléculas. Então ao considerarmos esta agitação como a desordem do sistema, podemos concluir que:

• quando um sistema recebe calor Q>0, sua entropia aumenta;
• quando um sistema cede calor Q<0, sua entropia diminui;
• se o sistema não troca calor Q=0, sua entropia permanece constante.

Segundo Rudolf Clausius, que utilizou a idéia de entropia pela primeira vez em 1865, para o estudo da entropia como grandeza física é mais útil conhecer sua variação do que seu valor absoluto. Assim, Clausis definiu que a variação de entropia (ΔS) em um sistema como:

Para processos onde as temperaturas absolutas (T) são constantes.

Para o caso onde a temperatura absoluta se altera durante este processo, o cálculo da variação de entropia envolve cálculo integral, sendo que sua resolução é dada por:

Observando a natureza como um sistema, podemos dizer que o Universo está constantemente recebendo energia, mas não tem capacidade de cedê-la, concluindo então que a entropia do Universo está aumentando com o passar do tempo.