O máquina carnot é um modelo cíclico ideal no qual o calor é usado para fazer o trabalho. O sistema pode ser entendido como um pistão que se move dentro de um cilindro comprimindo um gás. O ciclo exercido é o de Carnot, enunciado pelo pai da termodinâmica, o físico e engenheiro francês Nicolas Léonard Sadi Carnot..
Carnot enunciou esse ciclo no início do século XIX. A máquina está sujeita a quatro variações de estado, alternando condições como temperatura e pressão constante, onde se evidencia uma variação do volume ao comprimir e expandir o gás.
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Segundo Carnot, sujeitando a máquina ideal a variações de temperatura e pressão é possível maximizar o desempenho obtido..
O ciclo de Carnot deve ser analisado separadamente em cada uma de suas quatro fases: expansão isotérmica, expansão adiabática, compressão isotérmica e compressão adiabática..
As fórmulas associadas a cada uma das fases do ciclo realizado na máquina de Carnot serão detalhadas a seguir..
As premissas desta fase são as seguintes:
- Volume de gás: vai do volume mínimo ao volume médio.
- Temperatura da máquina: temperatura constante T1, valor alto (T1> T2).
- Pressão da máquina: cai de P1 para P2.
O processo isotérmico implica que a temperatura T1 não varia durante esta fase. A transferência de calor induz a expansão do gás, que induz movimento no pistão e produz trabalho mecânico.
Conforme o gás se expande, ele tende a esfriar. Porém, ele absorve o calor emitido pela fonte de temperatura e durante sua expansão mantém a temperatura constante..
Como a temperatura permanece constante durante esse processo, a energia interna do gás não muda e todo o calor absorvido pelo gás é efetivamente transformado em trabalho. A) Sim:
Por sua vez, ao final desta fase do ciclo também é possível obter o valor da pressão por meio da equação do gás ideal. Assim nós temos o seguinte:
Nesta expressão:
Pdois: Pressão no final da fase.
Vb: Volume no ponto b.
n: Número de moles de gás.
A: Constante universal de gases ideais. R = 0,082 (atm * litro) / (moles * K).
T1: Temperatura inicial absoluta, graus Kelvin.
Durante esta fase do processo, a expansão do gás ocorre sem a necessidade de troca de calor. Assim, as premissas são detalhadas a seguir:
- Volume de gás: vai do volume médio ao volume máximo.
- Temperatura da máquina: cai de T1 para T2.
- Pressão da máquina: pressão constante P2.
O processo adiabático implica que a pressão P2 não varia durante esta fase. A temperatura diminui e o gás continua a se expandir até atingir seu volume máximo; ou seja, o pistão chega ao batente.
Nesse caso, o trabalho realizado vem da energia interna do gás e seu valor é negativo porque a energia diminui durante este processo..
Presumindo que seja um gás ideal, a teoria sustenta que as moléculas de gás têm apenas energia cinética. De acordo com os princípios da termodinâmica, isso pode ser deduzido pela seguinte fórmula:
Nesta fórmula:
∆Ub → c: Variação da energia interna do gás ideal entre os pontos b e c.
n: Número de moles de gás.
Cv: capacidade de calor molar do gás.
T1: Temperatura inicial absoluta, graus Kelvin.
T2: temperatura final absoluta, graus Kelvin.
Nesta fase começa a compressão do gás; ou seja, o pistão se move para dentro do cilindro, com o qual o gás contrai seu volume.
As condições inerentes a esta fase do processo são detalhadas a seguir:
- Volume de gás: vai do volume máximo ao volume intermediário.
- Temperatura da máquina: temperatura constante T2, valor reduzido (T2 < T1).
- Pressão da máquina: aumenta de P2 para P1.
Aqui, a pressão do gás aumenta, então ele começa a se comprimir. Porém, a temperatura permanece constante e, portanto, a variação da energia interna do gás é nula.
Analogamente à expansão isotérmica, o trabalho realizado é igual ao calor do sistema. A) Sim:
Também é possível encontrar a pressão neste ponto usando a equação do gás ideal.
É a última fase do processo, na qual o sistema retorna às condições iniciais. Para isso, são consideradas as seguintes condições:
- Volume de gás: passa de um volume intermediário para um volume mínimo.
- Temperatura da máquina: aumenta de T2 para T1.
- Pressão da máquina: pressão constante P1.
A fonte de calor incorporada ao sistema na fase anterior é retirada, para que o gás ideal aumente sua temperatura enquanto a pressão permanecer constante..
O gás retorna às condições iniciais de temperatura (T1) e ao seu volume (mínimo). Mais uma vez, o trabalho realizado vem da energia interna do gás, então você deve:
Semelhante ao caso da expansão adiabática, é possível obter a variação da energia do gás por meio da seguinte expressão matemática:
O motor de Carnot funciona como um motor no qual o desempenho é maximizado pela variação de processos isotérmicos e adiabáticos, alternando as fases de expansão e compressão de um gás ideal..
O mecanismo pode ser entendido como um dispositivo ideal que realiza trabalhos estando sujeito a variações de calor, dada a existência de duas fontes de temperatura..
No primeiro foco, o sistema é exposto a uma temperatura T1. É uma alta temperatura que coloca pressão no sistema e faz com que o gás se expanda..
Por sua vez, isso se traduz na execução de um trabalho mecânico que permite a mobilização do pistão para fora do cilindro, e cuja parada só é possível através da expansão adiabática..
Em seguida, vem o segundo foco, em que o sistema é exposto a uma temperatura T2, inferior a T1; ou seja, o mecanismo é submetido a um resfriamento.
Isso induz a extração de calor e o esmagamento do gás, que atinge seu volume inicial após a compressão adiabática..
A máquina de Carnot tem sido amplamente utilizada graças à sua contribuição na compreensão dos aspectos mais importantes da termodinâmica..
Este modelo permite um entendimento claro das variações dos gases ideais sujeitos a mudanças de temperatura e pressão, tornando-se um método de referência no projeto de motores reais..
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