Entalpia Entropia e a Segunda Lei da Termodinâmica

O objetivo é desenvolver o entendimento básico dos seguintes conceitos:

• Energia Interna e Primeira Lei da Termodinâmica

• O processo cíclico e arbitrário de um sistema

• Reversibilidade e Irreversibilidade

• Entropia e Entalpia

• Segunda Lei da Termodinâmica

Energia Interna e Primeira Lei da Termodinâmica

Quando a energia de uma molécula dentro de um sistema está associada à propriedade do sistema, então é denominada Energia Interna (u).
A energia não pode ser criada nem destruída e, com base nesse princípio, a energia interna do sistema (u) muda sempre que a energia cruza a fronteira do sistema.
Assim, a primeira lei da termodinâmica pode ser expressa como abaixo quando calor/trabalho interage com o sistema.

Na equação acima, u é a energia interna por unidade de massa e q e w são calor e trabalho por unidade de massa, respectivamente. A convenção de sinal adotada na equação acima é:
dq > 0 (considerado positivo) ⇒ Transferência de calor para o sistema
dq < 0 (considerado negativo) ⇒ Transferência de calor do sistema dw > 0 (considerado positivo) ⇒ Trabalho realizado pelo sistema
dw < 0 (considerado negativo) ⇒ Trabalho realizado no sistema

Processo Cíclico e Arbitrário de um Sistema

Uma das formas importantes da Primeira Lei da Termodinâmica é obtida quando

Integramos a equação acima para um processo cíclico.

Um sistema é dito estar em processo cíclico quando, após passar por mudanças aleatórias devido ao calor/trabalho, retorna ao seu estado original.

Pontos a considerar são:

1. A integração de qualquer diferencial de propriedade de estado é a diferença de seus limites.

2. O estado final é o mesmo que o estado original e não há mudança na energia interna do sistema.

Portanto, quando

O estado inicial e final da energia interna na equação acima é representado por i e f. Substituindo acima na equação (1), então,

A equação (2) é a representação da integral de todo o trabalho realizado pelo sistema ou o trabalho líquido realizado pelo sistema é igual à integral de toda a transferência de calor para o sistema. Termodinâmica Engenharia explora ainda mais os conceitos de sistemas e processos.

Processo Arbitrário de um Sistema

É o resultado da Primeira Lei da Termodinâmica e está relacionado à equação (1) se um sistema envolve um processo arbitrário.

Nesta equação, q e w são o calor transferido líquido e o trabalho líquido para o processo, respectivamente, enquanto uf e ui são os valores finais e iniciais da energia interna (u). Em um sistema rígido e isolado adiabático (w = 0, q = 0), sua energia interna (u) permanece inalterada. Então, a partir da eq (2) de um processo cíclico.

Reversibilidade e Irreversibilidade

Diz-se que um sistema está passando por um processo quando seu estado inicial muda para o estado final. Propriedades como pressão, volume, entalpia, temperatura, entropia, etc., mudam durante um processo termodinâmico. A segunda lei da termodinâmica categoriza os processos em duas cabeças

• Processos ideais ou reversíveis

• Processos naturais ou irreversíveis

Se as variações de temperatura (t) e pressão (p) forem infinitesimais em um sistema que está passando por um processo, então o processo pode ser chamado de estados próximos ao equilíbrio ou aproximando-se da reversibilidade.
O processo é dito ser reversível internamente se o estado original for restaurado na direção inversa.
O processo é dito ser externamente reversível se o ambiente acompanhando a mudança também puder ser revertido em sequência.
Um processo reversível é aquele que é reversível tanto interna quanto externamente.
Para medir o sucesso dos processos reais, profissionais usam o processo reversível como medida para comparar e aproximar os processos reais e atuais da reversibilidade, diminuindo perdas para aumentar a eficiência dos processos.

Irreversibilidade

Quando os processos reais não atendem aos requisitos de reversibilidade, então o processo é chamado de irreversível.
No processo irreversível, o estado inicial do sistema e do meio ambiente não podem ser revertidos para o estado inicial a partir do estado final. A entropia do sistema aumenta bruscamente no processo irreversível e o valor não pode ser revertido para o valor inicial a partir do valor final.
A irreversibilidade persiste devido a variações de pressão, composição, temperatura, composição, principalmente causadas pela transferência de calor, atrito em sólidos e líquidos, reação química. Profissionais estão ocupados em reduzir os efeitos da irreversibilidade nos processos e mecanismos.

Entropia e Entalpia

Como a energia interna, a entropia e a entalpia são propriedades termodinâmicas. A entropia é representada pelo símbolo s e a mudança na entropia Δs em kJ/kg-K. A entropia é um estado de desordem. A entropia é o assunto da segunda lei da termodinâmica, que descreve a mudança de entropia no sistema e no meio ambiente em relação ao universo.
A entropia é definida como a razão da transferência de calor para a temperatura absoluta em um sistema para um caminho termodinâmico reversível.

Onde, qrev denota a transferência de calor ao longo de um caminho reversível.
A entalpia (h) é uma propriedade de estado e é definida como,

Onde, h é a entalpia específica, u é a energia interna específica, v é o volume específico, p é a pressão.
A partir da equação (1)

Portanto

Diferenciando a eq (4) e substituindo na equação acima, então

Ambas as equações acima estão relacionadas às mudanças na entropia para processos reversíveis devido às mudanças na energia interna e volume na primeira e nas mudanças na entalpia e pressão na segunda equação.
Como todas as quantidades nessas duas equações são propriedades de estado, a entropia também é uma propriedade termodinâmica.

Segunda Lei da Termodinâmica

A segunda lei da termodinâmica é conhecida por descrever seus limites no universo em termos do que o universo pode fazer. A 2ª Lei lida mais com ineficiências, decadência e degeneração.
Realizamos atividades em nosso dia a dia que, por natureza, envolvem processos ineficientes e irreversíveis.
A 2ª lei da termodinâmica pode ser expressa de forma mais conveniente em relação à entropia:
A entropia é definida como a mudança infinitesimal na entropia de um sistema (dS) que é a razão entre a quantidade medida de calor que entrou no sistema fechado (dqrev) e a temperatura comum (T) no ponto onde a transferência de calor ocorreu.

A segunda lei da termodinâmica afirma que “A mudança na entropia é considerada não negativa”.
OU
A energia do universo está gradualmente se movendo em direção a um estado de desordem

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