SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

     Imagine dois corpos com temperaturas diferentes: um quente e um frio. Se colocarmos os dois corpos em contato a energia térmica do mais quente passará ao mais frio até que ocorra o equilíbrio térmico entre eles. Seria possível que o fenômeno inverso acontecesse? Seria possível que dois corpos a mesma temperatura viessem a atingir um estado em que eles tivessem temperaturas diferentes?

TA (temperatura do corpo A), TB (temperatura do corpo B), TE (Temperatura de equilíbrio) e Q (energia térmica)
Figura 01

     É bastante comum a orientação de que devemos economizar energia no nosso dia-a-dia. Mas ao lembrarmos da primeira lei da termodinâmica onde a energia sempre se conserva não faz sentido economizá-la ou gastá-la. O que significa então a recomendação da economia de energia se a energia total no Universo sempre se conserva, mesmo que utilizemos quaisquer dos meios de transformação de energia para o seu aproveitamento?

     Bem a energia de fato sempre se conserva! O que acontece é que algumas formas de energia tem maior utilizada pra nós do que outras. A primeira lei trata então da possibilidade do aproveitamento para os mais diversos fins. Como nem tudo são flores, a segunda lei apresenta alguns argumentos sobre algumas impossibilidades da utilização plena de energia.

     Um exemplo que pode esclarecer melhor essa idéia é o de que a energia mecânica pode ser utilizada de tal forma que toda ela seja convertida em energia térmica, como é apresentado na primeira lei. Vejamos que o oposto é mais complicado: torna-se impossível utilizar toda a energia térmica do sistema de forma que esta seja convertida em trabalho sem que haja outras alterações no sistema ou em suas vizinhanças. Deste fato surge o primeiro enunciado da segunda lei da termodinâmica.

     Enunciado - 1^a forma

     É impossível remover energia térmica de um sistema a uma certa temperatura e converter essa energia integralmente em trabalho mecânico sem que haja uma modificação no sistema ou em suas vizinhanças. (Enunciado de Kelvin)

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     Podemos verificar mais um fato: Se colocarmos dois corpos com temperaturas diferentes em contato a energia térmica passará do primeiro para o segundo corpo até que haja equilíbrio térmico entre eles. Pare e pense um pouco. Você já alguma vez verificou que dois corpos de mesma temperatura, em contato num ambiente isolado, atingiram um estado em que a temperatura entre eles fosse diferente? Certamente que não. Dois corpos em contato com a mesma temperatura, num ambiente adiabático, permanecem indefinidamente nesse estado. Assim, espontaneamente, não há fluxo de calor que faça um deles mais frio ou quente. Observe que, se o processo fosse inverso, isto é, se o calor passasse do corpo frio para o quente (aumentando a temperatura do quente e diminuindo a do frio), não haveria nenhuma violação da primeira lei (a mesma quantidade de calor retirada de um é adicionada ao outro). Vejamos então outra forma de expressar a segunda lei.

     Enunciado - 2^a forma

     Não há nenhum processo onde o único efeito de energia térmica seja o de transferir energia de um corpo frio para outro quente. (Enunciado de Clausius)

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     Um caso de sublime importância é o da máquina térmica. Uma máquina térmica (MT) considerada ideal, funcionaria de acordo como indica a Figura 02. Todo o calor recebido de uma fonte quente Q₁ seria transformado em trabalho W. Podemos tomar como exemplo a combustão de uma substância qualquer.  Assim W = Q₁.

     Aqui devemos nos preocupar em entender o que ó o rendimento. O rendimento de uma máquina térmica pode ser definido matematicamente como sendo uma razão entre o trabalho realizado (W) e o calor cedido pelo reservatório quente (Q₁).

     Uma vez que Q₁ é em geral produzida pela queima de combustíveis fósseis (como carvão ou óleo) as máquinas térmicas são projetadas para desenvolverem o maior rendimento possível: quanto maior o rendimento, maior a economia. Na atualidade as máquinas térmicas operam com um rendimento que varia de 40% a 50% na maioria dos casos. Um automóvel comum tem um rendimento médio de 25% a 30% o que significa que somente 25% da energia transforma é aproveitada na realização de trabalho útil. Se o rendimento fosse de 100%, toda a energia térmica absorvida do reservatório quente seria convertida em trabalho e não haveria energia térmica para ser descarregada no reservatório frio.

Figura 02

     Assim é impossível uma máquina térmica térmica real desenvolver um rendimento de 100%. Disso decorre que o trabalho total é dado por:

W = Q₁ + Q₂

 Esse resultado, confirmado experimentalmente, é o enunciado Kelvin-Planck da segunda lei:

     Enunciado - 3^a forma

     É impossível que uma máquina térmica, operando em ciclos, tenha como único efeito a extração de calor de um reservatório e a execução de trabalho integral dessa quantidade de energia. (Enunciado de Kelvin-Planck)

     É hora de praticar e fazer os exercícios propostos! 

• GASPAR, A. Física. São Paulo, v.2, Ática, 2002.
• MÁXIMO, A.; ALVARENGA, B. Física de olho no mundo do trabalho. São Paulo, Scipione, 2003.
• SEARS, F. W.; ZEMANSKY, M. W. Física: calor, ondas e óptica. Rio de Janeiro, Universidade de Brasília, 1973.
• TIPLER, Paul A. Física. Rio de Janeiro, v.1, Livros Técnicos Científicos, 2000.