Questão 3: Discuta sobre o ciclo de Carnot abordando as suas características, os tipos de processos envolvidos, bem como, a sua utilidade dentro da termodinâmica.

Passo 1

O enunciado pede para discutir o ciclo de Carnot, destacando suas características, os quatro processos termodinâmicos que o compõem e sua utilidade na termodinâmica. O conteúdo envolve motores térmicos reversíveis e a segunda lei da termodinâmica, especialmente o conceito de eficiência máxima e entropia.

Passo 2

O ciclo de Carnot é um ciclo termodinâmico ideal e reversível que opera entre dois reservatórios térmicos: um quente à temperatura TH e outro frio à temperatura TC. Suas principais características são:
1. É formado por processos reversíveis, de modo que a variação líquida de entropia no ciclo é zero:
De<a Stotal = 0
2. Fornece a eficiência térmica máxima possível entre dois reservatórios, servindo de padrão para qualquer máquina térmica real.
3. Não depende da substância de trabalho (gás ideal, por exemplo), apenas de TH e TC.

Passo 3

Os quatro processos reversíveis do ciclo de Carnot são:
1. Isotérmico de expansão em TH ( 1to 2): o sistema absorve calor QH do reservatório quente mantendo a temperatura constante.
2. Adiabático de expansão ( 2to 3): o sistema continua a se expandir sem troca de calor, caindo de TH até TC.
3. Isotérmico de compressão em TC ( 3to 4): o sistema rejeita calor QC ao reservatório frio mantendo temperatura TC.
4. Adiabático de compressão ( 4to 1): o sistema é comprimido sem troca de calor, elevando a temperatura de TC de volta a TH.

Passo 4

Da conservação de energia no ciclo e da definição de eficiência
eta = WQH = QH - QCQH = 1 - QCQH,
e usando que, em processos isotérmicos reversíveis, QCQH=TCTH, obtemos a eficiência máxima do ciclo de Carnot:
eta = 1 - TCTH

Passo 5

A utilidade do ciclo de Carnot na termodinâmica é:
1. Estabelecer o limite superior de eficiência para qualquer motor térmico operando entre TH e TC.
2. Fundamentar a segunda lei da termodinâmica e a definição de entropia, pois somente processos reversíveis mantêm De<a S=0.
3. Servir de referência para avaliar perdas irreversíveis em máquinas reais e orientar o desenvolvimento de processos mais eficientes.

Resposta

O ciclo de Carnot é um modelo ideal e reversível de motor térmico formado por duas expansões (isotérmica em TH e adiabática) e duas compressões (isotérmica em TC e adiabática), cuja eficiência máxima é
eta = 1 - TCTH,
e que serve de padrão para o desempenho de qualquer máquina térmica real, fundamentando conceitos centrais da segunda lei da termodinâmica e da entropia.

Exercícios relacionados