Aplicação da 2ª lei da termodinâmica às máquinas térmicas

Segundo o postulado de Lord Kelvin, é impossível transformar em trabalho toda a energia sob a forma de calor extraída de uma única fonte, logo, a fracção de energia sob a forma de calor que não é utilizada para realizar trabalho é transferida para outra fonte a uma temperatura inferior.

Assim, as máquinas térmicas apenas permitem obter trabalho, a partir de um fluxo de energia sob a forma de calor entre duas fontes a temperaturas diferentes. A energia sob a forma de calor flui espontaneamente da fonte quente, isto é, a fonte com maior temperatura, para a fonte fria, ou seja, a fonte com temperatura inferior.

Por exemplo, na máquina a vapor, um cilindro move-se devido à expansão do gás no seu interior, causada pela energia proveniente do aquecimento de água numa caldeira (fonte de energia sob a forma de calor - "fonte de calor"). Parte desta energia não é transformada em trabalho, e passa por condução térmica para os arredores da máquina (fonte com temperatura inferior).

O princípio de funcionamento de uma máquina térmica pode ser esquematizado pela figura 1:

Fig. 1 - Esquema de uma máquina térmica.

Deste modo, o trabalho fornecido pela máquina é igual à diferença entre as quantidades de energia sob a forma de calor trocadas:

W = |Q_q| = |Q_f|

Rendimento das máquinas térmicas

Um dos principais objectivos de quem constrói uma máquina térmica, é que esta tenha o maior rendimento possível. O rendimento, que normalmente se denota por η, define-se como a razão entre o trabalho que a máquina fornece, W, e a energia sob a forma de calor que sai da fonte quente, Q_q, e sem o qual ela não poderia funcionar.

Como o quociente entre Q_c e Q_q tem um valor que pode estar entre 0 e 1, o rendimento de uma máquina térmica é sempre inferior a 1. Caso o valor de Q_c fosse nulo, isto é, se a máquina não transferisse energia sob a forma de calor para a fonte fria, o rendimento seria igual a 1.

No entanto, não é possível construir máquinas térmicas onde, ciclicamente se transforme toda a energia sob a forma de calor proveniente da fonte quente, em trabalho, uma vez que tal violaria a 2ª lei da termodinâmica.

Fig. 2 - Esquema de uma máquina térmica impossível devido à 2ª lei da termodinâmica.