Na Primeira Lei da Termodinâmica é abordada a conservação de energia nos sistemas termodinâmicos e a sua característica quantitativa, por meio da equação que relaciona calor, trabalho e energia interna. Já a Segunda Lei, de forma mais específica e qualitativa, estuda a transformação do calor em trabalho, abordada na Primeira Lei.
As máquinas térmicas foram o grande incentivo para que os estudos e, consequentemente, as leis da termodinâmica evoluíssem. O grande desafio era criar máquinas cada vez mais eficientes. Máquina térmica é o dispositivo que opera em ciclos, transformando parte da energia térmica (calor) em energia mecânica (trabalho), rejeitando o restante da energia térmica adquirida.
O francês Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) desenvolveu conceitos que fundamentaram a Segunda Lei, sendo que na época em que ele viveu a Primeira Lei nem era conhecida. Mesmo assim, foi ele quem estabeleceu o último padrão de eficiência de uma máquina térmica. Há duas conclusões importantes dos estudos de Carnot:
- a eficiência de uma máquina (cuja fonte é o calor) depende da natureza do processo cíclico em que ela opera, e não do material que sofre a transformação (substância de trabalho);
- não existe máquina mais eficiente do que a de Carnot, pois ele descobriu o processo cíclico mais eficiente para converter calor em outras formas de energia.
Além de Carnot, Rudolf Clausius (1822-1888), Lord Kelvin (1824-1907) e Max Planck (1858-1947) contribuíram para que a Segunda Lei fosse formulada. Dessa forma, temos a seguir os dois enunciados que definem a Segunda Lei da Termodinâmica:
- Enunciado de Clausius: o fluxo de calor ocorre espontaneamente do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura. O inverso seria uma transformação forçada, que dependeria do fornecimento de energia ao sistema para que ela ocorresse.
- Enunciado de Kelvin-Planck: nenhuma máquina térmica, que funcione em ciclos, pode transformar toda a energia térmica recebida (calor) em energia mecânica (trabalho), ou seja, não existe uma máquina térmica com 100% de rendimento.
Uma conclusão importante, que relaciona estes dois enunciados, é de que sempre deverá existir energia térmica sendo rejeitada para a fonte fria (corpo com temperatura menor). Se a fonte fria não existisse para receber esta energia, não seria possível a saída de energia térmica da fonte quente (corpo com temperatura maior). A figura a seguir mostra como este processo é fundamental para o funcionamento da máquina térmica.
Figura 1. Representação de uma máquina térmica (Ta > Tb)
Se a máquina térmica da figura 1 funcionar segundo o Ciclo de Carnot (duas isotermas e duas adiabáticas), então ela é uma Maquina de Carnot e pode-se afirmar a seguinte relação:
ou seja, o módulo da quantidade de calor em B pelo módulo da quantidade de calor em A é igual a razão entre as temperaturas de B e A.
Já o rendimento da Máquina de Carnot é dado por:
Para η = 1, o rendimento seria 100%, mas para isso acontecer a temperatura da fonte fria TB teria que ser nula, atingindo o zero absoluto. Como é impossível atingir o zero absoluto, também não se pode ter uma máquina térmica com total aproveitamento.
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