Quando falamos em física e termodinâmica do Ciclo de Carnot estamos nos referindo a uma sequência de processos que ocorrem em um motor Carnot. É um dispositivo ideal que consiste em apenas alguns processos do tipo reversível. Isso significa que, uma vez que esses processos tenham ocorrido, o estado inicial pode ser retomado. Este tipo de motor é considerado pela física como um motor ideal e é utilizado para poder planejar o resto dos motores.
Neste artigo vamos contar tudo o que você precisa saber sobre o ciclo de Carnot e suas principais características.
Características principais
Estamos falando que este tipo de motor é considerado um motor ideal. Isso porque lhe falta a dissipação de energia, devido ao atrito com o solo ou ar e qualquer tipo de viscosidade. Todas essas características ou desvantagens surgem em qualquer motor real, uma vez que é impossível converter energia térmica em trabalho utilizável em 100%. Porém, o heap de Carnot pode simular todas essas condições para poder funcionar melhor e fazer cálculos de forma mais simples.
Quando compramos um motor, o fazemos a partir de uma substância que é capaz de funcionar. Por exemplo, as principais substâncias utilizadas são gás, gasolina ou vapor. Quando essas substâncias que são capazes de funcionar estão sujeitas a várias mudanças de temperatura e pressão, gerar algumas variações em seu volume. Desta forma, um pistão pode ser movido dentro de um cilindro para ter o motor.
Qual é o ciclo de Carnot?
Este ciclo ocorre dentro de um sistema denominado motor Carnot. Neste motor existe um gás ideal que é encerrado em um cilindro e que é fornecido com um pistão. O pistão está em contato com várias fontes que estão em diferentes temperaturas. Neste sistema existem alguns processos que podemos resumir nas seguintes etapas:
- Uma certa quantidade de calor é fornecida ao dispositivo. Essa quantidade de calor vem do reservatório térmico de alta temperatura.
- O motor realiza trabalho graças a este calor que seria fornecido
- Parte do calor é aproveitada e parte é desperdiçada. Os resíduos são transferidos para o tanque térmico que fica em uma temperatura mais baixa.
Depois de ver todos os processos, vamos ver quais são as etapas do ciclo de Carnot. A análise desses processos é realizada por meio de um diagrama no qual são medidos a pressão e o volume. O objetivo do motor pode ser manter o tanque número dois resfriado, extraindo o calor dele. Neste caso, estaremos falando de uma máquina de resfriamento. Se, ao contrário, o objetivo é transferir calor para o reservatório térmico número um, então estamos falando de uma bomba de calor.
Se analisarmos um diagrama de pressão e volume, vemos que as mudanças na pressão e temperatura do motor são mostradas sob certas condições, que são as seguintes:
- Desde que a temperatura seja mantida constante. Aqui estamos falando sobre um processo isotérmico.
- Sem transferência de calor. É aqui que temos isolamento térmico.
Os processos isotérmicos precisam ser conectados uns aos outros e isso é conseguido graças ao isolamento térmico.
Estágios do ciclo de Carnot
Do ponto de partida podemos começar com qualquer parte do ciclo em que o gás tenha determinadas condições de pressão, volume e temperatura. Este e o gás passarão por uma série de processos que o levarão a retornar às condições iniciais. Assim que o gás voltou às condições iniciais, estava em perfeitas condições para iniciar outro ciclo. Essas condições são dadas desde que a energia interna no final seja igual à energia interna no início. Isso significa que a energia é conservada. Já sabemos que a energia não é criada nem destruída, mas apenas transformada.
O primeiro estágio do ciclo de Carnot é baseado em uma expansão isotérmica. Nesta etapa, o sistema absorve o calor do tanque térmico 1 e sofre uma expansão isotérmica. Conseqüentemente, o volume do gás aumenta e a pressão diminui. No entanto, a temperatura permanece estável, pois quando o gás se expande, ele esfria. Portanto, sabemos que sua energia interna permanece constante ao longo do tempo.
Na segunda fase, temos um expansão adiabática. Adiabático significa que o sistema não ganha ou perde calor. Isso é obtido colocando o gás no isolamento térmico conforme indicado acima. Portanto, em uma expansão adiabática, o volume aumenta e a pressão diminui até atingir seu valor mínimo.
Em terceiro estágio, temos uma compressão isotérmica. Aqui retiramos o isolamento e o sistema entra em contato com o tanque térmico nº 2, que ficará em uma temperatura mais baixa. Portanto, o sistema é responsável por transferir o calor residual que não foi utilizado para este tanque térmico. Conforme o calor é liberado, a pressão começa a aumentar e o volume a diminuir.
Finalmente, na última fase do ciclo de Carnot, temos umcompressão adiabática. Aqui voltamos a um estágio de isolamento térmico pelo sistema. A pressão aumenta e o volume diminui até atingir novamente as condições iniciais. Portanto, o ciclo está pronto para recomeçar.
Limitações
Como mencionado antes, o motor do Carnot é idealizado. Isso significa que tem suas limitações, uma vez que motores reais não têm 100% de eficiência. Sabemos que duas máquinas Carnot têm a mesma eficiência se ambas operam com os mesmos reservatórios térmicos. Essa afirmação significa que eu me importo com a substância que usaremos, já que a apresentação será totalmente independente e não pode ser elevada.
A conclusão que tiramos da análise anterior é que o ciclo de Carnot é o topo do processo termodinâmico que pode ser alcançado idealmente. Ou seja, além disso, não haverá motor com maior eficiência. Sabemos que o fato do isolamento térmico nunca é perfeito e os estágios adiabáticos não existem, pois há troca de calor com o exterior.
No caso de um carro, o bloco do motor esquenta e por outro lado, a mistura de gasolina e ar não se comporta exatamente, você se comunica idealmente. Sem mencionar alguns fatores que causar uma redução drástica no desempenho.
Espero que com essas informações você possa aprender mais sobre o ciclo de Carnot e suas características.