Segunda Lei da Termodinâmica
Pelo princípio de conservação da energia, a energia de um sistema isolado é
constante, quaisquer que sejam os processos pelos quais passa o sistema. A primeira
lei da Termodinâmica representa a aplicação do princípio de conservação da energia a
sistemas que podem trocar energia com a vizinhança por calor. Esta lei, assim como o
princípio de conservação da energia, não contém restrições quanto à direção do fluxo
de energia entre dois sistemas. Por exemplo, estão de acordo com essa lei tanto a
passagem de energia, por calor, de um corpo de temperatura maior a outro de
temperatura menor, quanto a passagem de energia, por calor, de um corpo de
temperatura menor a outro de temperatura maior. Na natureza, observamos que é
possível a passagem espontânea de energia por calor apenas de um corpo de
temperatura maior a outro de temperatura menor. A segunda lei da Termodinâmica dá
conta desta falta de correspondência. Com base na discussão que fizemos quando
introduzimos a função de estado entropia, podemos enunciar a segunda lei da
Termodinâmica da seguinte forma:
• A entropia de um sistema isolado não se altera se ele realiza um processo
reversível e aumenta se ele realiza um processo irreversível.
De modo mais conciso:
• A entropia do universo aumenta sempre.
Vamos discutir, a seguir, mais dois enunciados para a segunda lei da
Termodinâmica. Estes enunciados são muito úteis nas discussões que envolvem
máquinas térmicas e refrigeradores.
Enunciado de Kelvin
O enunciado de Kelvin para a segunda lei da Termodinâmica é o seguinte:
• Nenhum sistema pode realizar qualquer processo cíclico cujo único efeito
seja retirar, por calor, certa quantidade de energia de um único reservatório térmico e
ceder, por trabalho, uma quantidade igual de energia para a vizinhança.
Aqui, é muito importante observar que esse enunciado se refere a um processo
cíclico. Podemos perfeitamente imaginar um processo não cíclico através do qual
certa quantidade de energia é retirada, como calor, de um único reservatório térmico e
uma quantidade igual de energia é devolvida, por trabalho, à vizinhança. Como
exemplo, vamos considerar uma amostra de gás ideal que se expande
isotermicamente em contato com um reservatório térmico. A amostra recebe energia,
por calor, do reservatório térmico e, simultaneamente, cede energia, por trabalho, para
a vizinhança. Nesse processo, ∆U = 0 e, então, Q = W, isto é, a quantidade de energia
recebida por calor é igual à quantidade de energia cedida por trabalho.
Por outro lado, é perfeitamente possível que, num processo cíclico, um sistema
receba certa quantidade de energia por trabalho e ceda a mesma quantidade de
energia, por calor, para a vizinhança. Como exemplo, vamos considerar um corpo
apoiado sobre uma superfície com atrito que é mantido, por uma força externa, em
movimento circular uniforme num referencial fixo na superfície. A cada volta, o corpo
recebe certa quantidade de energia, como trabalho, do agente que exerce a força e
igual quantidade de energia é transferida, em parte para o corpo e em parte para a
superfície, aumentando suas energias internas e também suas temperaturas.
Grupo de Ensino de Física da Universidade Federal de Santa Maria
Enunciado de Clausius
O enunciado de Clausius para a segunda lei da Termodinâmica é o seguinte:
• Nenhum sistema pode realizar qualquer processo cíclico cujo único efeito
seja retirar, por calor, certa quantidade de energia de um reservatório térmico com
temperatura baixa e ceder, também por calor, igual quantidade de energia a um
reservatório térmico com temperatura alta.
Aqui, novamente, é muito importante observar que esse enunciado se refere
também a um processo cíclico. Se o sistema não volta ao estado inicial, a
transferência de energia, por calor, do reservatório térmico com temperatura baixa
para o reservatório térmico com temperatura alta é perfeitamente possível. Como
exemplo, vamos considerar uma amostra de gás que é expandida isotermicamente em
contato com um reservatório térmico de temperatura baixa T1, depois comprimida
adiabaticamente, de modo que sua temperatura aumente de T1 para T2 e, finalmente,
comprimida isotermicamente em contato com um reservatório térmico de temperatura
alta T2 (Fig.61).
No processo AB, de expansão isotérmica, a amostra retira do reservatório
térmico de temperatura baixa certa quantidade de energia por calor e no processo CD,
de compressão isotérmica, a amostra cede certa quantidade de energia, também por
calor, ao reservatório térmico de temperatura alta. A quantidade de energia associada
ao trabalho pode ser nula, mas certa quantidade de energia diferente de zero foi
transferida, por calor, do reservatório térmico de temperatura baixa para o reservatório
térmico de temperatura alta.
Grupo de Ensino de Física da Universidade Federal de Santa Maria