Enunciado
Termodinâmica - Moran e Shapiro - Princípios de Termodinâmica para Engenharia- Ed: 7º - Capítulo 5.Problemas - Ex. 93
Responda se cada uma das afirmativas é verdadeira ou falsa. Explique.
(a) A eficiência térmica máxima de qualquer ciclo de potência operando entre reservatórios térmicos quente e frio a 1000°C e 500°C, respectivamente, é de 50%.
(b) Um processo de um sistema fechado que viola a segunda lei da termodinâmica necessariamente viola a primeira lei da termodinâmica.
(c) Uma declaração da segunda lei da termodinâmica reconhece que a propriedade extensiva entropia é produzida no interior de sistemas sempre que o atrito e outras não idealidades estejam ali presentes.
(d) Em princípio, a desigualdade de Clausius é aplicável a qualquer ciclo termodinâmico.
(e) Quando um certo trabalho líquido é realizado sobre um sistema que passa por um processo reversível internamente, ocorre uma transferência de calor líquida do sistema.
Passo 1
a) A eficiência térmica máxima de qualquer ciclo de potência operando entre reservatórios térmicos quente e frio a 1000°C e 500°C, respectivamente, é de 50%.
Antes de resolver nosso enunciado, vamos lembrar do seguinte, a condição de EFICIÊNCIA MÁXIMA de um ciclo de potência QUALQUER é dada por:
Lembrando que essa condição DEVE SER UTILIZADA com temperaturas ABSOLUTAS (Kelvin, Rankine etc.), ou seja:
Sendo assim, nosso ciclo fica com uma eficiência de:
ou
a) Afirmativa FALSA.
Passo 2
b) Um processo de um sistema fechado que viola a segunda lei da termodinâmica necessariamente viola a primeira lei da termodinâmica.
Não necessariamente. Isso porque as Leis indicam etapas diferentes do processo.
A 1ª Lei diz respeito SOMENTE à TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA sem um SENTIDO PRIORITÁRIO de ocorrência.
Só indica a CONVERSÃO DA ENERGIA INTERNA EM TRABALHO por meio da equação . Na verdade, esse tipo de máquina seria o Santo Graal da Termodinâmica, pois indicaria uma transição COMPLETA sem restrições, gerando uma fonte de energia infinita.
Porém, a 2ª Lei quebra esse sonho ao demonstrar um SENTIDO ESPECÍFICO DE ESPONTANEIDADE do processo como limite de ocorrência, onde considera a existência de IRREVERSIBILIDADES inevitáveis no sistema, que impedem a existência de uma eficiência a por meio da equação
Entretanto, um processo pode ser efetivado pela 1ª Lei e ser considerado impossível pela 2ª Lei e vice-versa.
b) Afirmativa FALSA.
Passo 3
c) Uma declaração da segunda lei da termodinâmica reconhece que a propriedade extensiva entropia é produzida no interior de sistemas sempre que o atrito e outras não idealidades estejam ali presentes.
Só pra desenhar – exemplos de processos entrópicos:
→ Transferência de calor por DIFERENÇA FINITA de TEMPERATURA;
→ Expansão NÃO RESISTIDA de fluidos até um ponto mais baixo;
→ Reação química ESPONTÂNEA;
→ ATRITO / Resiliência de fluidos;
→ Mistura ESPONTÂNEA de fases diferentes;
→ Deformação INELÁSTICA;
... e por aí vai pra mais de milhão.
Todos esses processos são ESPONTÂNEOS e, mesmo que você pudesse controlar a matéria em nível subatômico ou fosse o próprio Dr. Manhattan azul, não conseguiria segurar todas essas interações entre esses tipos de elementos.
Conforme o sistema passa por um processo, pode haver a presença de IRREVERSIBILIDADES INEVITÁVEIS tanto dentro do sistema quanto na vizinhança.
c) Afirmativa VERDADEIRA.
Passo 4
d) Em princípio, a desigualdade de Clausius é aplicável a qualquer ciclo termodinâmico.
Em termos de representação para a 2ª Lei, a Desigualdade de Clausius pode ser aplicada a qualquer ciclo termodinâmico pois, diferente das outras representações que utilizam apenas a condição de transferência de Q ou T dos reservatórios hot ou cold (dependendo do sistema), a desigualdade se utiliza do conceito de ENTROPIA para enunciar o balanço energético e a condição do sistema (REVERSÍVEL, IRREVERSÍVEL ou IMPOSSÍVEL).
d) Afirmativa VERDADEIRA.
Passo 5
e) Quando um certo trabalho líquido é realizado sobre um sistema que passa por um processo reversível internamente, ocorre uma transferência de calor líquida do sistema.
Aqui temos o seguinte:
Onde:
Trabalho total exercido pelo sistema
Calor recebido pelo sistema utilizado sem perda
Se o processo é REVERSÍVEL, significa dizer que:
Ou seja,
Normalmente, o trabalho será executado de acordo com a transferência de calor que o sistema recebe e ejeta.
Essa diferença resulta na transmissão de para o sistema e, quando há um processo REVERSÍVEL, significa que TODOS OS PROCESSOS estão operando dentro do contexto de ou e, com isso, e:
e) Afirmativa VERDADEIRA.
Resposta
a) Afirmativa FALSA.
b) Afirmativa FALSA.
c) Afirmativa VERDADEIRA.
d) Afirmativa VERDADEIRA.
e) Afirmativa VERDADEIRA.