ciclo de carnot, Notas de estudo de Física

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Química Física

Sadi Carnot (1796-1832) ao estudar as máquinas térmicas verificou que, durante o funcionamento destas, havia degradação de energia dissipada sob forma de calor. Depois de realizar uma análise cuidadosa do funcionamento do motor térmico, construiu uma máquina que, trabalhando com gás aquecido ou resfriado, servia para medir a quantidade de energia mecânica produzida; permitia também calcular a percentagem de energia térmica transformada em mecânica.

O funcionamento dessa máquina englobava quatro fases, o que hoje é chamado de ciclo de Carnot: a partir de um estado inicial, o sistema expande-se isotermicamente (absorvendo calor do ambiente) até atingir um segundo estado; a partir deste, a expansão é adiabática, e consequentemente a temperatura diminui; daí em diante, o volume do sistema começa a reduzir-se isotermicamente, até alcançar o estado final; uma compressão adiabática conduz o sistema ao ponto de partida, fechando assim o ciclo. Uma das características do ciclo de Carnot é o fato de que as transformações que o compõem são totalmente reversíveis, isto é, podem ser realizadas em sentido inverso, percorrendo as mesmas etapas intermediárias.

Uma transformação isotérmica é uma transformação termodinâmica que ocorre a temperatura constante em um sistema fechado sistema este que permite trocas de energia, mas não de matéria, entre o sistema e sua vizinhança. Isto tipicamente ocorre quando o sistema está em contacto com um reservatório térmico exterior (banho térmico), e a mudança ocorre lentamente o suficiente para permitir que o sistema se ajuste continuamente a temperatura do reservatório pelo meio de troca de calor. Ao contrário, uma transformação adiabática um sistema onde não há troca de calor com o meio externo. Esse sistema é considerado, sistema isolado.

 Processo BC: Expansão adiabática, temperatura cai de T 2 para T 1. O sistema não troca energia por calor, mas entrega a quantidade de energia por trabalho  Sobre a vizinhança, isto é, de B á C, expande- se adiabaticamente e a temperatura diminuem.

Processo CD: Compressão isotérmica, é comprimido a temperatura constante, T 1. O sistema entrega a quantidade de energia Q 1 por calor e recebe a quantidade de energia por trabalho sobre a vizinhança ou seja a vizinhança realiza trabalho sobre o sistema e sete transfere para o exterior energia, como calor, Q sobre o sistema e este transfere para a exterior energia, como calor Q.

Com relação ao ciclo de Carnot, é importante saber o seguinte:  Uma máquina que opera dentro de um ciclo de Carnot tem o máximo rendimento. Ou seja nenhuma máquina térmica operando em ciclos de pode ter rendimento superior ao de uma máquina de Carnot  O rendimento de uma máquina depende das temperaturas quente e fria. Ele demostrou que a quantidade de calor que é retirada da fonte quente (Q 1 ) e aqueceu é rejeitada para fonte fria (Q 2 ) são proporcionais as temperaturas absolutas da fonte quente. Ou seja : Q 1 /T 1 =Q 2 /T 2 como η=1- Q 2 /Q1, ou η=1- T 2 /T 1  A expressão η=1- T 2 /T1,quanto menor for a temperatura T 2 (fonte fria ), maior será o rendimento pois menor se torna razão T 2 /T1. Assim, quando a temperatura T 2 atinge o zero absoluto teríamos um rendimento a 100%. No entanto, isso é possível, pois contraria a segunda da Termodinâmica

Fica evidente que Carnot conhecia as bases físicas da conservação da energia. Uma das características do ciclo de Carnot é o fato de que as transformações (duas adiabáticas e duas isotérmicas) que o compõem são totalmente reversíveis, isto é, podem ser realizadas em sentido inverso, percorrendo as mesmas etapas intermediárias.