Síntese
Definição da máquina teórica descrita pelo engenheiro francês Sadi Carnot e designada por engenho de Carnot, de grande importância para o estudo de máquinas térmicas, uma vez que o seu engenho ideal tem o maior rendimento de todas as máquinas térmicas.
Palavras-chave
- Ciclo de Carnot
- Teorema de Carnot
- Máquinas térmicas
- Rendimento
Objectivos de aprendizagem
A aprendizagem neste tópico envolve os seguintes objectivos:
- Definir o ciclo de Carnot e o engenho que permite executá-lo;
- Descrever o teorema de Carnot.
Pré-requisitos
Os seguintes conhecimentos são essenciais para a compreensão deste tópico:
Sadi Carnot (1796 - 1832) foi um engenheiro francês que, em 1824, inventou um engenho teórico a que deu o nome de engenho de Carnot.
Suponhamos que o engenho funciona com um gás ideal, que está contido num cilindro onde numa das suas extremidades se encontra um pistão (êmbolo móvel). Tanto o cilindro como o pistão não são condutores térmicos.
A máquina imaginada funcionaria segundo um ciclo de Carnot, que consiste na alternância de duas transformações isotérmicas com duas adiabáticas (não ocorre transferência de energia sob a forma de calor), tal como mostra a figura 1.
Fig. 1 - Diagrama PV (pressão em função do volume) do ciclo de Carnot.
O ciclo de Carnot é um ciclo ideal, que trabalha entre duas temperaturas, Tf e Tq, e onde a segunda é superior à primeira. Pela observação da figura 1, constata-se que o ciclo funciona em quatro etapas:
- Processo de A para B: corresponde a uma expansão isotérmica à temperatura Tq. O gás é posto em contacto térmico, através da base do cilindro, com uma fonte de energia sob a forma de calor à temperatura Tq. Durante a expansão do volume VA para o volume VB, o gás recebe energia, |Qq|, e realiza trabalho, WAB, para empurrar o pistão, aumentando, desta forma, o volume dentro do cilindro.
- Processo de B para C: a base do cilindro é substituída por uma parede não condutora e o gás expande de forma adiabática, isto é, não entra nem sai do sistema energia sob a forma de calor. Durante a expansão, a temperatura do gás diminui de Tq para Tf e o gás realiza trabalho, WBC, ao empurrar o pistão.
- Processo de C para D: o gás é posto em contacto térmico, através da base do cilindro, com uma fonte de energia sob a forma de calor à temperatura Tf e é comprimido isotermicamente. O pistão move-se de forma a diminuir a área dentro do cilindro, realizando trabalho, WCD, sob o gás que é comprimido até ao volume VD. Durante este processo, o gás transfere energia sob a forma de calor, |Qf|, para a fonte fria.
- Processo de D para A: novamente a base do cilindro é substituída por uma parede não condutora, ocorrendo uma compressão adiabática. O gás continua a ser comprimido pelo pistão que realiza trabalho, WDA, sob o gás, o qual aumenta novamente a sua temperatura até Tq, sem que haja qualquer troca de calor no sistema.
As quatro etapas do ciclo de Carnot, encontram-se representadas na figura 2:
Fig. 2 - Esquema do engenho de Carnot, durante as várias etapas do ciclo.
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