Máquinas Térmicas: Conceitos, Rendimento e o Ciclo de Carnot

Maquinas térmicas

As máquinas térmicas foram os primeiros dispositivos mecânicos a Serem utilizados em larga escala na indústria, por volta do século XVIII. Na Forma mais primitiva, era usado o aquecimento pára transformar água em vapor, Capaz de movimentar um pistão, que por sua vez, movimentava um eixo que tornava A energia mecânica utilizável pára as indústrias da época.

Chamamos máquina térmica o dispositivo que, utilizando duas fontes Térmicas, faz com que a energia térmica se converta em energia mecânica (trabalho).

A fonte térmica fornece uma quantidade de calorque no Dispositivo transforma-se em trabalhomais uma quantidade de calor que Não é capaz de ser utilizado como trabalho.

Neste caso, o fluxo de calor acontece da temperatura menor pára o A maior.

Mas conforme a 2ª Lei da Termodinâmica, este fluxo não acontece Espontaneamente, logo é necessário que haja um trabalho externo, assim:

Rendimento das máquinas térmicas

Podemos chamar de rendimento de uma máquina a relação entre a energia Utilizada como forma de trabalho e a energia fornecida:

Considerando:

=rendimento;

= trabalho convertido através Da energia térmica fornecida;

=quantidade de calor fornecida Pela fonte de aquecimento;

=quantidade de calor não Transformada em trabalho.

Exemplo:

Um motor à vapor realiza um trabalho de 12kJ quando lhe é Fornecido uma quantidade de calor igual a 23kJ.

Qual a capacidade percentual que o motor tem de transformar Energia térmica em trabalho?

Ciclo de Carnot

Até meados do século XIX, acreditava-se ser possível a construção De uma máquina térmica ideal, que seria capaz de transformar toda a energia Fornecida em trabalho, obtendo um rendimento total (100%).

Pára demonstrar que não seria possível, o engenheiro francês Nícolas Carnot (1796-1832) propôs uma máquina térmica teórica que se comportava Como uma máquina de rendimento total, estabelecendo um ciclo de rendimento máximo, Que mais tarde passou a ser chamado Ciclo De Carnot.

Este ciclo seria composto de quatro processos, independente da Substância:

Uma expansão isotérmica reversível. O sistema Recebe uma quantidade de calor da fonte de aquecimento (L-M)

Uma expansão adiabática reversível. O sistema Não troca calor com as fontes térmicas (M-N)

Uma compressão isotérmica reversível. O sistema Cede calor pára a fonte de resfriamento (N-O)

Uma compressão adiabática reversível. O sistema Não troca calor com as fontes térmicas (O-L)

Numa máquina de Carnot, a quantidade de calor que é fornecida pela Fonte de aquecimento e a quantidade cedida à fonte de resfriamento são Proporcionais às suas temperaturas absolutas, assim:

Assim, o rendimento de uma máquina de Carnot é:

e

Logo:

Sendo:

= temperatura absoluta da Fonte de resfriamento

= temperatura absoluta da Fonte de aquecimento

Com isto se conclui que pára que haja 100% de rendimento, todo o Calor vindo da fonte de aquecimento deverá ser transformado em trabalho, pois a Temperatura absoluta da fonte de resfriamento deverá ser 0K.

Esta variação é o que chamamos Dilatação Térmica.