Carnot propôs um modelo de máquina térmica que fornecia um rendimento máximo em relação à outras máquinas térmicas. Explique quais são as etapas que compõem o ciclo da máquina de carnot.

Passo 1

Beleza, vamos recapitular rapidinho o que a questão pede: é da matéria de Termodinâmica, mais especificamente sobre ciclos de máquinas térmicas ideais. O enunciado fala do ciclo de Carnot, que tem rendimento máximo, e quer que a gente explique as etapas que o compõem. Para isso, vamos precisar lembrar do que são processos isotérmicos (temperatura fixa) e adiabáticos (sem troca de calor) e também que o ciclo é reversível.

Passo 2

Primeira etapa – Expansão isotérmica em Wrm exp =integralV1^V2 p,dV = nRTHlnV2V1
Aqui o gás ideal do cilindro está em contato com a fonte quente a temperatura constante . Como a temperatura não muda, a variação de energia interna é zero ( ), então todo calor absorvido vira trabalho.
Teoria aplicada: 1ª Lei da Termodinâmica . Como , temos .
Num processo isotérmico de gás ideal:

Passo 3

Segunda etapa – Expansão adiabática de pV^gamma=constante e TV^gamma-1=constante, para
Agora o sistema é isolado termicamente, não troca calor ( ). Ele continua se expandindo, o que faz a temperatura cair de até .
Teoria aplicada: para processo adiabático reversível em gás ideal vale
onde .

Passo 4

Terceira etapa – Compressão isotérmica em QC = Wrm comp = nRTClnV3V4,
O gás fica em contato com a fonte fria a temperatura constante . Agora você comprime o gás devagar: ele libera calor para a fonte fria e faz-se trabalho sobre ele. De novo , então
sendo .

Passo 5

Quarta etapa – Compressão adiabática de para
Sem trocar calor ( ) você comprime o gás até voltar à temperatura inicial , fechando o ciclo. Novamente vale constante, e a temperatura sobe de volta a .

Resposta

O ciclo de Carnot é composto por quatro etapas reversíveis, em sequência:
  1. Expansão isotérmica em .
  2. Expansão adiabática de até .
  3. Compressão isotérmica em .
  4. Compressão adiabática de até .

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