Processo de transformação termodinâmica
O ciclo de Carnot é um processo no qual ocorre transformações termodinâmicas, sendo duas delas transformações isotérmicas – aquelas nas quais a temperatura permanece constante, variando a pressão e o volume da massa gasosa –, e as outras duas são transformações adiabáticas – aquelas em que o sistema está isolado de quaisquer trocas de calor.
Esse processo é executado pela máquina de Carnot, uma invenção do engenheiro francês Nicolas Sadi Carnot. Trata-se de uma máquina térmica teórica que funciona como uma máquina de rendimento total, que cria um ciclo de rendimento máximo, denominado Ciclo de Carnot.
O desempenho da máquina de Carnot demonstrou que, quanto maior a temperatura da fonte quente, maior o rendimento do substância do tipo gás ideal, também chamado de gás perfeito. É um tipo de gás cujas velocidades médias estão relacionadas com a temperatura.
Portanto, o ciclo de Carnot é uma sequência de transformações gasosas nas quais a máquina térmica atinge o seu rendimento máximo à medida em que opera em ciclos, mediante duas fontes térmicas, permitindo uma reduzida perda de calor para o meio externo.
Teoria de Carnot
A teoria de Carnot foi postulada em 1824, pelo cientista francês Nicolas Sadi Carnot. O teorema por ele apresentado atribui um limite à eficiência de uma máquina térmica ideal.
Ele criou a chamada máquina de Carnot que é formada por um tipo de gás sobre o qual se exerce ciclo de expansão e contração entre duas temperaturas, de modo é capaz de transformar o calor em trabalho.
O ciclo de Carnot segue dois postulados, descritos por Sadi Carnot, antes das Leis da Termodinâmica. São eles:
“Nenhuma máquina operando entre duas temperaturas fixadas pode ter rendimento maior que a máquina ideal de Carnot, operando entre essas mesmas temperaturas”
“Ao operar entre essas duas temperaturas, a máquina ideal de Carnot tem o mesmo rendimento, qualquer que seja o fluido operante”.
Infere-se, portanto, dessa teoria, que a máquina de Carnot tem rendimento maior do que qualquer outro equipamento do tipo operando entre as mesmas fontes de temperaturas.
Como funciona a troca de calor na máquina de Carnot
A quantidade de calor trocada entre fontes quente e fria é proporcional às temperaturas absolutas. Em uma máquina de Carnot, Q1/Q2 = T2/T1, onde T1 corresponde à temperatura da fonte quente (K); T2 corresponde à temperatura da fonte fria (K); Q1 corresponde à energia térmica fornecida pela fonte quente (J); e Q2 corresponde à energia térmica recebida a partir da fonte fria (J).
Para ocorrer o rendimento de 100% seria necessário que todo o calor originado da fonte de aquecimento fosse transformado em trabalho, uma vez que a temperatura integral da outra fonte deve ser igual zero. Como o zero absoluto não é algo que possa ser alcançado em um sistema físico, não é possível. Assim, não há possibilidade de rendimento 100%.
O ciclo teórico de Carnot é formado por duas transformações isotérmicas e duas transformações adiabáticas. Uma das transformações isotérmicas serve para a temperatura da fonte quente, onde ocorre o processo de expansão, e a outra para a fonte fria, onde acontece o processo de compressão. Elas são alternadas por duas transformações adiabáticas.
A máquina de Carnot é utilizada para avaliar o desempenho de máquinas térmicas. Através dela é possível identificar se uma máquina térmica possui um bom rendimento e, consequentemente, se o seu custo é viável para utilização na indústria.
O motor a combustão, uma máquina térmica comumente usada em automóveis,
é um exemplo de máquina que passa pelo ciclo de Carnot. (Foto: Pixabay)
Etapas do ciclo de Carnot
Independente da substância, o processo de transformação termodinâmica do ciclo de Carnot ocorre em quatro etapas. Na máquina de Carnot, o procedimento acontece quando a fonte de aquecimento e a fonte de resfriamento fornecem quantidade de calor proporcionais às suas temperaturas absolutas. O ciclo de Carnot é formado pelas seguintes etapas:
Expansão isotérmica reversível – etapa em que sistema recebe uma quantidade de calor da fonte de aquecimento;
Expansão adiabática reversível – etapa em que o sistema não realiza a troca de calor com as fontes térmicas de aquecimento;
Compressão isotérmica reversível – etapa em que o sistema fornece o calor para a fonte de resfriamento;
Compressão adiabática reversível – etapa em que o sistema não realiza a troca de calor com as fontes térmicas de resfriamento.
Após a transformação isotérmica, o gás passa pela transformação adiabática onde acontece a troca de calor com o meio externo. Em seguida, o gás sofre uma compressão isotérmica, liberando uma quantidade de calor para o meio externo. A seguir, o gás passa por uma compressão adiabática, retornando à condição inicial.
Fórmula do rendimento da máquina de Carnot
O máximo de rendimento que pode ser atingido por uma máquina térmica, operando em dadas temperaturas da fonte quente e da fonte fria, é denominado rendimento da máquina de Carnot. O cálculo desse rendimento pode ser feito através da seguinte fórmula:
R= 1- T2/T1
Onde:
R = rendimento da máquina de Carnot
T1 = temperatura da fonte quente medida Kelvin (K)
T2 = temperatura da fonte fria medida em Kelvin (K).