A segunda lei da termodinâmica

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA: UM ESTUDO DE SEU ENTENDIMENTO POR PROFESSORES DO ENSINO MÉDIO *

Reginaldo Castro [rcastro@cce.ufes.br]

Laércio Ferracioli [laercio@npd.ufes.br]

Laboratório de Tecnologias Aplicadas à Modelagem Cognitiva

Departamento de Física

Universidade Federal do Espírito Santo

[http://www.modelab.ufes.br]

1. INTRODUÇÃO

A Segunda Lei da Termodinâmica está intrinsecamente relacionada a fenômenos do cotidiano tais como um gás em expansão, a geração de Calor pelo atrito ou um objeto quente esfriando ao ar livre No entanto, como mostra a literatura, alunos e professores nem sempre têm o real entendimento desta relação.

Desta forma, este estudo tem como objetivo investigar como a Segunda Lei da Termodinâmica é entendida por professores de Ensino Médio, uma vez que estes são os responsáveis pelo ensino deste tópico e a maneira de entenderem essa lei reflete diretamente na maneira de ensina-la. O estudo foi realizado por professores participantes do programa Pró-Ciências/ES durante o segundo semestre de 2001.

Dessa forma, este Trabalho inicialmente apresentará, a descrição de algumas idéias sobre a Segunda Lei da Termodinâmica, uma breve revisão de literatura sobre este tema, seguido do relato do estudo realizado.

2. TEORIZAÇÃO E CONCEITOS ENVOLVIDOS NA PRIMEIRA E SEGUNDA LEI

2.1 Introdução

Termodinâmica é a ciência que trata das transformações de Energia e pode ser estudada a partir de suas leis básicas. A primeira Lei da Termodinâmica estabelece que Energia é sempre conservada em qualquer processo da natureza e é a base para a compreensão da natureza do Calor e do Trabalho como processos. A segunda Lei, através de seus enunciados determina uma assimetria fundamental na natureza. (Ferracioli 2001). Portanto a combinação da Primeira e Segunda Lei da Termodinâmica afirma que embora a quantidade total de Energia tem de ser conservada em qualquer processo, a distribuição desta Energia é alterada de uma maneira irreversível (Ferracioli 1994).

2.2 Os conceitos envolvidos na Primeira e Segunda Leis

Para um entendimento global da Segunda Lei da Termodinâmica, há de se levar em consideração os conceitos que fazem parte desta lei. Desta forma, os conceitos de Energia, Entropia, Temperatura, Calor e Trabalho fazem parte do contexto de estudo que levará ao Princípio da Segunda Lei. Página 1 de 1

Conforme estudos relatados por Martinez, J.M. e Perez (1997), a idéia de que Calor é a quantidade de Energia presente nos corpos e temperatura uma escala desta quantidade, faz parte das concepções prévias dos alunos. De acordo com os autores, estas concepções estariam ligadas ao fato de que Calor permanece como uma forma de Energia e diretamente relacionado às diferenças de temperatura.

Na conceituação de Trabalho há também algumas dificuldades em seu entendimento, principalmente a relacionada à sua definição que diz que Trabalho é o produto da Força pela distância. Para esta definição, por exemplo, o ato de lixar um pedaço de madeira tem coerência de sentido, mas quando se leva em conta o aquecimento da madeira pela lixa, uma conceituação, mais apurada, em termos de trocas de Energia sem mudança de Entropia será necessária (Ogborn 1986).

O conceito de Energia, na óptica das concepções do senso comum, está relacionado geralmente a algum tipo de combustível, que por sua vez está associado a diversos eventos e movimentos, revelando desta maneira uma confusão entre o conceito de Energia e Energia Livre. Sendo este último atrelado às propriedades do combustível (Ogborn 1986).

Desta forma, seria necessária uma estratégia de estudo voltada para os conceitos de Temperatura, Calor, Trabalho e Energia, com ênfase em seus aspectos de conservação, degradação, transferência e transformação para que haja um pleno entendimento das idéias relacionadas a Primeira e Segunda Lei da Termodinâmica.

2.3 Conceituação da Primeira Lei da Termodinâmica

A Primeira Lei da Termodinâmica relaciona o conceito de Trabalho ao de Calor através de sua expressão que define o conceito de Energia Interna:

WQU+=Δ

(1)

Assim: representa as trocas de Energia do sistema termodinâmico que caminha para um estado de equilíbrio como resultado de uma interação entre o sistema e suas vizinhanças; Q é a quantidade de Calor fornecida ou retirada do corpo e W é a quantidade de Trabalho realizado pelo sistema, neste caso recebendo sinal positivo, ou sobre o sistema, que para este caso recebe sinal negativo. UΔ

2.4 Conceituação da Segunda Lei

O enunciado de Kelvin (1824-1907) – Plank (1858-1947) estabelece a assimetria entre Trabalho e Calor definindo que é impossível construir uma máquina, operando em ciclos, cujo único efeito seja retirar Calor de uma fonte e convertê-lo integralmente em Trabalho ou seja nenhuma máquina converte Calor em Trabalho com eficiência total, alguma Energia é sempre perdida por dissipação para uma região de menor temperatura.

O enunciado de Clausius da Segunda Lei da Termodinâmica mostra uma implicação na direção dos processos naturais: O Calor não pode nunca passar de um corpo mais frio para um corpo mais quente sem que ocorram ao mesmo tempo mudanças associadas, pois o Calor em toda parte manifesta uma tendência em igualar diferenças de temperaturas ou seja o Calor sempre flui de objetos quentes em direção aos frios.

Desta forma segue que a combinação da Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica mostra que embora a quantidade total de Energia tem de ser conservada em qualquer processo, a distribuição dessa Energia é alterada de uma maneira irreversível. Em outras palavras, a Primeira Lei nega a possibilidade da Energia ser criada ou Página 2 de 2

destruída, enquanto que a Segunda Lei nega a possibilidade da Energia ser distribuída de qualquer maneira sem maiores conseqüências (Ferracioli 2001).

2.5 O Conceito de Entropia

A análise de alguns processos espontâneos tais como a expansão de um gás, aumento de temperatura de um corpo colocado em contato com outro de temperatura maior, concentração e diluição de uma solução ou deslizamento de um bloco sobre uma superfície com atrito, mostram que esses fenômenos

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