12- Explique o funcionamento de um refrigerador de Carnot.
Passo 1
O enunciado pede para explicar como funciona um refrigerador de Carnot. O conteúdo da matéria é termodinâmica (segunda lei) e precisamos entender o ciclo de Carnot invertido, suas quatro etapas (duas isotérmicas e duas adiabáticas) e como calcular o Coeficiente de Performance (COP).
Passo 2
O ciclo de Carnot original é um motor que realiza: isoterma a alta temperatura, adiabática, isoterma a baixa temperatura e adiabática. Para usar esse ciclo como refrigerador, basta inverter o sentido do processo, fazendo com que o fluido extraia calor do reservatório frio e o rejeite ao quente, exigindo trabalho externo.
Passo 3
Vamos detalhar as quatro etapas do ciclo reverso, numeradas de 1 a 4:
- Compressão adiabática (1→2): o fluido parte da temperatura fria
e é comprimido sem troca de calor até a temperatura quente . - Compressão isotérmica (2→3): mantém-se em
enquanto o fluido é comprimido e rejeita calor ao reservatório quente. - Expansão adiabática (3→4): o fluido se expande sem trocar calor, fazendo sua temperatura cair de
até . - Expansão isotérmica (4→1): em
, o fluido se expande e absorve calor do reservatório frio.
Passo 4
Nas etapas adiabáticas não há troca de calor, e nas etapas isotérmicas a energia trocada é pura calor. O trabalho líquido que o compressor deve fornecer ao fluido é
e a eficiência do refrigerador é medida pelo Coeficiente de Performance, definido como a razão entre o calor removido da zona fria e o trabalho fornecido:
Passo 5
Para o ciclo de Carnot vale a relação de reversibilidade
Substituindo isso em
e depois em
, chega-se ao valor máximo do COP para um refrigerador de Carnot:
Resposta
O refrigerador de Carnot funciona invertendo o ciclo de Carnot: duas compressões (adiabática e isotérmica em
) e duas expansões (adiabática e isotérmica em
), de modo que o fluido retira calor
da fonte fria e o rejeita como
à fonte quente graças ao trabalho externo. Seu Coeficiente de Performance máximo é