Fundamentos de Física, Volume 2: Gravitação, Ondas e Termodinâmica
20-2 Entropia no Mundo Real: Máquinas Térmicas
Figura 20-7 Um pedaço de elástico (a) relaxado e (b) distendido, mostrando uma cadeia polimérica do material (a) enrolada e (b) esticada.
De acordo com a Eq. (20-7), F é proporcional à taxa dS/dx com a qual a entropia do elástico varia quando o comprimento do elástico sofre uma pequena variação dx. Assim, podemos sentir o efeito da entropia nas mãos quando esticamos um elástico.
Para entender por que existe uma relação entre força e entropia,
considere um modelo simples da borracha de que é feito o elástico. A borracha é formada por longas cadeias poliméricas com ligações cruzadas,
que lembram zigue-zagues tridimensionais (Fig. 20-7). Quando o elástico se encontra no estado relaxado, essas cadeias estão parcialmente enroladas e orientadas aleatoriamente. Devido ao alto grau de desordem das moléculas, esse estado possui um alto valor de entropia. Quando esticamos um elástico de borracha, desenrolamos muitas moléculas e as alinhamos na direção do alongamento. Como o alinhamento diminui a desordem, a entropia do elástico esticado é menor. Isso significa que a derivada dS/dx da Eq. 20-7 é negativa, já que a entropia diminui quando dx aumenta. Assim, a força que sentimos ao esticar um elástico se deve à tendência das moléculas de voltar ao estado menos ordenado, para o qual a entropia é maior.
20-2 ENTROPIA NO MUNDO REAL:
MÁQUINAS TÉRMICAS
Objetivos do Aprendizado
Depois de ler este módulo, você será capaz de ...
20.09 Saber que uma máquina térmica é um dispositivo que extrai energia do ambiente na forma de
calor e realiza trabalho útil e que, em uma máquina térmica ideal, todos os processos são
reversíveis, o que significa que não há desperdício de energia.
20.10 Desenhar um diagrama p-V de um ciclo de Carnot, mostrando o sentido em que o ciclo é
percorrido, a natureza dos processos envolvidos, o trabalho realizado (incluindo o sinal
algébrico) em cada processo, o trabalho líquido realizado e o calor transferido (incluindo o sinal
algébrico) em cada processo.
20.11 Desenhar o ciclo de Carnot em um diagrama temperatura-entropia, indicando as transferências
de calor.
20.12 Determinar a variação de entropia em um ciclo de Carnot.
20.13 Calcular a eficiência ε de uma máquina de Carnot em termos das transferências de calor e C
também em termos da temperatura das fontes de calor.
20.14 Saber que não existem máquinas térmicas perfeitas nas quais a energia Q transferida da fonte
quente na forma de calor é transformada totalmente em trabalho W realizado pela máquina.
20.15 Desenhar um diagrama p-V de um ciclo de Stirling, mostrando o sentido em que o ciclo é
percorrido, a natureza dos processos envolvidos, o trabalho realizado (incluindo o sinal
algébrico) em cada processo, o trabalho líquido realizado e o calor transferido (incluindo o sinal
algébrico) em cada processo.
Ideias-Chave
• Uma máquina térmica é um dispositivo que, operando de forma cíclica, extrai energia na forma de calor |Q | de uma fonte quente e realiza um trabalho |W|. A eficiência de uma máquina térmica é Q
dada pela equação
• Em uma máquina térmica ideal, todos os processos são reversíveis e as transferências de energia são realizadas sem as perdas causadas por efeitos como o atrito e a turbulência.
• A máquina térmica de Carnot é uma máquina térmica ideal que executa o ciclo mostrado na Fig.
20-9. A eficiência da máquina de Carnot é dada pela equação