Aula - O ciclo de Carnot.

 Na antiguidade, o homem usou como fonte de energia para produzir trabalho a roda d'água, os ventos e a tração animal. Durante a primeira Revolução Industrial foram introduzidas as máquinas térmicas. Com isto passamos  a produzir trabalho a partir do calor. O material comumente usado nas máquinas para transferir o calor foi o vapor d'água. Se hoje vivemos a Era da Eletricidade, naqueles tempos vivíamos a Era do vapor.

As primeiras máquinas a vapor foram construídas por artesãos. Elas funcionavam, mas não se sabia exatamente como isto se dava. A situação permaneceu a mesma até que entraram em cena os engenheiros  James Watt e Sadi Carnot. Algumas das questões que eles enfrentaram foram: Como melhorar o rendimento da máquinas térmicas ? Qual o maior rendimento possível?

 Carnot se propôs a resolver o seguinte problema: Qual o rendimento máximo de um motor térmico que trabalha de forma cíclica entre uma fonte quente e uma fonte fria? A resposta encontrada por ele foi:

-O rendimento máximo é alcançado quando a máquina opera num ciclo de transformações térmicas chamado, em sua homenagem, Ciclo de Carnot.

O calor se perde inultimente (não produz trabalho) quando é transferido por condução. Isto ocorre quando os corpos que entram em contato térmico têm temperaturas diferentes. Assim, para evitar queda de rendimento, quando o vapor entra em contato térmico com as fontes quente e fria deve estar a mesma temperatura delas e, do mesmo modo, quando o vapor muda a sua temperatura durante uma transformação ele não deve estar em contato térmico com as fontes e o ambiente. Em outras palavras: No ciclo de Carnot as transformações que o vapor sofre devem ser isotérmicas ou adiabáticas.

Vamos usar uma animação para entender como uma máquina térmica opera num ciclo de Carnot.

Depois de aberta a animação clique em "Init" para monta-la. Faça o mesmo quando quiser reiniciar a animação. Depois clique em "start" para começar o processo.

Os dois retângulos laterais representam a fonte quente, quando ganham a cor vermelha; representam a fonte fria, quando ganham a cor azul. Quando eles adquirem a cor cinza isto indica que não há contato térmico com o vapor, isto é, está ocorrendo uma transformação adiabática.

A máquina produz trabalho mecânico quando move o pistão. Repare no gráfico pressão X volume ao lado. Ele descreve as diferentes transformações por que passa o vapor durante o Ciclo de Carnot.

No início o vapor está em contato térmico com a fonte fria. Note que o movimento do pistão diminui o volume disponível para o vapor. Ainda assim a temperatura se mantém constante pois o vapor cede calor para a fonte fria. Temos uma transformação isotérmica a baixa temperatura (Isothermal at low T).

Em seguida o vapor é isolado da fonte fria. Temos uma transformação adiabática. O volume continua diminuindo e a  pressão do vapor  aumenta. Como não há troca de calor, a temperatura do vapor também  aumenta.

Quando o vapor e a fonte quente estão à mesma temperatura eles são postos em contato térmico. O vapor absorve calor da  fonte quente. Como o volume aumenta a temperatura se mantém constante. Temos outra transformação isotérmica, agora a alta temperatura ( Isothermal at Hight T).

Ainda com a animação aberta observe que o vapor é novamente isolado do ambiente (outra transformação adiabática). Como o volume continua aumentando, a temperatura cai até atingir a temperatura da fonte fria e o ciclo se repete.

Animação produzida por: Shermam Visual Lab, Xing Min Wang, ph.d.

Imagens: Sadi Carnot,em www.mudanzashermanosjuarez.com

              Ciclo de Carnot, http://elwitxi.com/maquinasnavales/ciclo_carnot.htm