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
e outro frio à temperatura
. Suas principais características são:
. É formado por processos reversíveis, de modo que a variação líquida de entropia no ciclo é zero:
Passo 3
Os quatro processos reversíveis do ciclo de Carnot são:
. Isotérmico de expansão em
(
): o sistema absorve calor
do reservatório quente mantendo a temperatura constante.
. Adiabático de expansão (
): o sistema continua a se expandir sem troca de calor, caindo de
até
.
. Isotérmico de compressão em
(
): o sistema rejeita calor
ao reservatório frio mantendo temperatura
.
. Adiabático de compressão (
): o sistema é comprimido sem troca de calor, elevando a temperatura de
de volta a
.
Passo 4
Da conservação de energia no ciclo e da definição de eficiência
e usando que, em processos isotérmicos reversíveis,
, obtemos a eficiência máxima do ciclo de Carnot:
Passo 5
A utilidade do ciclo de Carnot na termodinâmica é:
. Estabelecer o limite superior de eficiência para qualquer motor térmico operando entre
e
.
. Fundamentar a segunda lei da termodinâmica e a definição de entropia, pois somente processos reversíveis mantêm
.
. 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
e adiabática) e duas compressões (isotérmica em
e adiabática), cuja eficiência máxima é
e que serve de padrão para o desempenho de qualquer máquina térmica real, fundamentando conceitos centrais da segunda lei da termodinâmica e da entropia.