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
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:
Aqui o gás ideal do cilindro está em contato com a fonte quente a temperatura constante
Teoria aplicada: 1ª Lei da Termodinâmica
Num processo isotérmico de gás ideal:
Passo 3
Segunda etapa – Expansão adiabática de
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
Agora o sistema é isolado termicamente, não troca calor (
Teoria aplicada: para processo adiabático reversível em gás ideal vale
onde
.
Passo 4
Terceira etapa – Compressão isotérmica em
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
O gás fica em contato com a fonte fria a temperatura constante
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
.
Sem trocar calor (
Resposta
O ciclo de Carnot é composto por quatro etapas reversíveis, em sequência:
- Expansão isotérmica em
. - Expansão adiabática de
até . - Compressão isotérmica em
. - Compressão adiabática de
até .