Cite exemplos de máquinas térmicas reais (motores de carro, usinas, turbinas, geladeiras, ar-condicionado, corpo humano, etc.) e discuta como a 2 a lei se manifesta nelas.

Passo 1

O enunciado pede para citar exemplos de máquinas térmicas reais e mostrar como a Segunda Lei da Termodinâmica aparece nelas. Vamos primeiro lembrar o que é uma máquina térmica e o enunciado mais usual da 2ª lei: nenhuma máquina operando entre uma fonte quente a temperatura \,T_H e um sumidouro a \,T_C pode ter eficiência maior que a eficiência de Carnot
\eta_C \;=\;1-\frac{T_C}{T_H}\,,
e que toda máquina real gera entropia \Delta S_{\rm gerada}>0, reduzindo ainda mais sua eficiência.

Passo 2

Motor de carro (ciclo Otto)
Um motor a gasolina recebe calor \,Q_A na combustão (fonte quente) e rejeita \,Q_R pelo escapamento e bloco (sumidouro). A eficiência real é
\eta \;=\;\frac{W}{Q_A}\;=\;1-\frac{Q_R}{Q_A}\;<\;\eta_C\,,
porque há irreversibilidades: perdas por atrito, bombear o óleo, troca de calor não ideal. Essas perdas geram entropia \Delta S_{\rm gerada} e fazem \eta cair bem abaixo de \eta_C.

Passo 3

Usina termelétrica (ciclo Rankine)
A usina recebe vapor a alta pressão e temperatura T_H no tubo de alta pressão e rejeita calor no condensador (água de torre a T_C). A eficiência prática \eta_{\rm Rankine} fica em torno de 35\% 45\%, distante de \eta_C, devido a irreversibilidades no gerador de vapor, turbinas, bombas e trocadores de calor. Cada trocador aumenta a produção de entropia.

Passo 4

Refrigerador doméstico
Aqui a “máquina” é um frigorífico que retira calor Q_R do interior (sumidouro frio) e rejeita Q_A atrás (fonte quente), consumindo trabalho W. A razão de desempenho é
\mathrm{COP}_{\rm frio}=\frac{Q_R}{W}\;\le\;\frac{1}{\tfrac{T_A}{T_R}-1}\,.
Para bombear calor de um reservatório mais frio a um mais quente, é preciso trabalho, conforme a 2ª lei. Irreversibilidades (vazamentos de calor, atritos do compressor) reduzem ainda mais o COP.

Passo 5

Ar-condicionado
Funciona igual a um refrigerador: retira calor de dentro do ambiente T_{\rm in} e libera para fora T_{\rm out}. A Segunda Lei impõe \mathrm{COP}<\mathrm{COP}_{\rm Carnot}. Na prática, perdas no compressor, tubulações e expansão criam irreversibilidades e elevam a geração de entropia.

Passo 6

Corpo humano
Nosso metabolismo converte energia química (alimento) em trabalho mecânico e calor. A “eficiência” bioquímica de músculos fica em torno de 20\% 25\%. O restante vira calor, que é rejeitado para o ambiente. A diferença entre o calor gerado e o calor dissipado envolve irreversibilidades bioquímicas (reações enzimáticas que produzem entropia).

Resposta

Exemplos e manifestação da 2ª lei:
– Motor de carro: eficiência menor que Carnot devido a atrito e trocas de calor não ideais \Delta S>0.
– Usina termelétrica: irreversibilidades em turbinas, bombas e trocadores implicam \eta<\eta_C.
– Geladeira: requer trabalho para transferir calor do frio para o quente, limitado por \mathrm{COP}<1/(\tfrac{T_A}{T_R}-1).
– Ar-condicionado: análogo à geladeira, com irreversibilidades reduzindo o COP prático.
– Corpo humano: converte alimento em trabalho e calor, com eficiência bioquímica baixa e produção de entropia nas reações metabólicas.

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