Fala, pessoal, tudo bem? Vamos estudar um pouco mais sobre Termodinâmica, abordando máquinas térmicas e Ciclo de Carnot. Essas são as bases para o funcionamento de muitas máquinas, de carros à combustão a usinas nucleares.
Veja que essas máquinas convertem parte do calor que recebem em trabalho mecânico. E entender isso é essencial para compreendermos a matéria. Então, abra o caderno e bons estudos!
Máquina térmica
Entende-se por máquina térmica o dispositivo capaz de converter em trabalho mecânico. Exemplo: locomotiva a vapor. Quando estudamos esse conteúdo, é preciso refletir sobre o quanto entra de energia nessa máquina, de onde ela vem e para onde ela vai.
Veja a imagem:
Uma máquina térmica recebe calor de um lugar que chamamos de fonte quente, que é um local que fornece energia para a máquina funcionar. Toda fonte quente está em uma temperatura TQ. Por sua vez, a fonte fria é outro local da máquina para onde vai o rejeito da energia.
Funciona assim: a máquina térmica recebe calor da fonte quente (Qquente), converte em trabalho mecânico (τ) e o restante é rejeitado pela fonte frita (Qfria). Importante notar que a soma das energias se equivalem.
Exemplo: suponha que o calor da fonte quente é igual a 1000 J e que a máquina térmica o transforme em um trabalho mecânico que equivale a 400 J. Assim, podemos concluir que o módulo do calor rejeitado é de 600 J.
A partir disso, temos a principal fórmula das máquinas térmicas:
Qquente = τ + |Qfria|
Para calcular o rendimento (η) de uma máquina térmica é necessário pegar a parte útil pelo total que ela recebeu, o que nos dá a seguinte fórmula:
Note que o denominador (Qquente) será sempre maior que o numerador (τ). Portanto, 0 ≤ η < 1.
Ciclo de Carnot
O Ciclo de Carnot é considerado um ciclo ideal, pois fornece o rendimento máximo para uma máquina térmica que opere entre duas fontes com temperaturas TF e TQ. Ele trabalha com duas transformações isotérmicas e duas transformações adiabáticas.
Importante: muitos enunciados não vão falar especificamente em Ciclo de Carnot. Muitas questões vão usar a expressão “rendimento máximo” ou “trabalho máximo”.
Acompanhe a imagem:
Aqui, valem as mesmas fórmulas que vimos para máquinas térmicas. A questão é que quando uma máquina está no Ciclo de Carnot, o calor que vem da fonte quente está para o calor que é rejeitado pela fonte fria assim como TQ está para TF. Ou seja, há uma razão na mesma proporção entre o calor da fonte fria e da fonte quente que é a mesma razão de TF e TQ:
Lembre-se de que essa razão só vale para Ciclo de Carnot. A partir disso, podemos pegar a expressão acima e substituir na fórmula do rendimento, criando uma nova maneira de calculá-lo.
Para isso, devemos lembrar que qualquer máquina que opere entre duas temperaturas (TF e TQ), tem um rendimento menor do que as máquinas operando no Ciclo de Carnot entre as mesmas temperaturas.
Agora, acompanhe:
Lembre-se de que:
Qquente = τ + Qfria
Assim, podemos:
τ = Qquente – Qfria
Então, basta substituir:
Importante: essa fórmula vale para qualquer máquina térmica, e não apenas Ciclo De Carnot.
Lembre, agora, que vimos que há uma razão entre os calores das fontes fria e quente e as temperaturas. Então, podemos fazer mais uma substituição na fórmula para descobrimos, por fim, a fórmula de rendimento de máquina de Carnot:
Importante: em Termodinâmica, as temperaturas deverão estar sempre em kelvin (K)!
Máquinas térmicas e Ciclo de Carnot: gráfico
A maneira mais simples para saber se uma questão está pedindo Ciclo de Carnot é, como vimos, por meio de expressões como “rendimento máximo” ou “trabalho máximo”. Mas nem sempre é assim: outra alternativa que pode aparecer nas suas provas é um gráfico que traz duas transformações adiabáticas e duas transformações isotérmicas.
Acompanhe:
Repare, então, que em transformações isotérmicas a temperatura é sempre constante. Já nas transformações adiabáticas, o calor trocado em determinado trecho é nulo.
Segunda Lei da Termodinâmica
O ideal seria que houvesse um máquina que conseguisse retirar todo o calor da fonte quente e convertê-lo exclusivamente em trabalho mecânico, sem desperdício de energia. Mas isso é impossível.
Assim, a Segunda Lei da Termodinâmica nos diz, em outras palavras, que é impossível alcançarmos o rendimento máximo. Para entendermos melhor, vamos lembrar:
Para que o rendimento fosse igual a 1, precisaríamos ter que τ = Qquente. Mas isso não acontece, porque o calor que vai para a fonte fria nunca é nulo (QFria ≠ 0), impossibilitando sua conversão apenas em trabalho.
Assim, podemos fazer as seguintes afirmações:
- O rendimento de uma máquina térmica nunca é 100% (η ≠ 1).
- Em uma máquina térmica, o calor rejeitado para a fonte fria nunca pode ser nulo (QFria ≠ 0).
- A temperatura da fonte fria nunca chega a zero kelvin (TF > 0).
Espero que você tenha entendido um pouco melhor sobre máquinas térmicas e Ciclo de Carnot. E se quiser ajuda para melhorar seu nível de Física em outras matérias, entre em contato comigo e escolha o curso de Física mais adequado para você!
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