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Máquinas de Carnot

Física

Carnot idealizou a máquina térmica teórica de rendimento máximo. O Ciclo de Carnot consiste em duas transformações adiabáticas com duas transformações isotérmicas, reversíveis.
Said Carnot (1796-1832)
Said Carnot (1796-1832)
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Até 1824 acreditava-se que as máquinas térmicas construídas poderiam submeter-se a um funcionamento perfeito, ou seja, pensava-se que elas podiam atingir o rendimento de 100%, ou algo próximo a esse valor. Em outras palavras, os cientistas da época acreditavam que podiam fazer uso de toda energia térmica fornecida a essas máquinas – ou seja, acreditavam que poderiam transformar toda essa energia em trabalho.

O engenheiro Sadi Carnot foi o responsável, na época, por fazer demonstrações nas quais era impossível obter 100% de rendimento. Sadi propôs que uma máquina térmica teórica, ideal, funcionaria percorrendo um ciclo particular, hoje designado Ciclo de Carnot.

Em sua demonstração, Carnot conceituou dois postulados, que foram propostos antes mesmo de enunciada a primeira lei da termodinâmica. Veja o que os postulados de Carnot enunciam:

1° postulado de Carnot

  • Nenhuma máquina operando entre duas temperaturas fixadas pode ter rendimento maior que a máquina ideal de Carnot, operando entre essas mesmas temperaturas.

2° postulado de Carnot

  • Ao operar entre duas temperaturas, a máquina ideal de Carnot tem o mesmo rendimento, qualquer que seja o fluido operante, e é completamente reversível, sem adição de energia.

De acordo com os postulados enunciados por Carnot, podemos ver a garantia de que o rendimento de uma máquina térmica é função das temperaturas das fontes quente e fria. Entretanto, fixando-se as temperaturas dessas fontes, a máquina teórica de Carnot é aquela que consegue ter o maior rendimento.

O ciclo de Carnot é um ciclo idealizado, reversível, no qual o fluido operante é um gás perfeito, que corresponde a duas transformações isotérmicas e duas adiabáticas, intercaladas. Os processos descritos pelo gás nesse ciclo são:

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1.°) expansão isotérmica DA, durante a qual o gás está em contato com o sistema de temperatura constante TA (fonte quente), recebendo dele uma quantidade de calor QA.

2.°) expansão adiabática AB, durante a qual não ocorrem trocas de calor com o ambiente. O sistema realiza trabalho com diminuição de energia interna e, portanto, de temperatura.

3.°) contração isotérmica BC, durante a qual o gás está em contato com o sistema de temperatura constante TB (fonte fria), cedendo a ele uma quantidade de calor QB.

4.°) contração adiabática CD, durante a qual o gás não troca calor com o ambiente. O sistema recebe trabalho, que serve para aumentar sua energia interna e, portanto, sua temperatura.

Ciclo de Carnot

No ciclo de Carnot, os calores trocados (QA e QB) e as temperaturas termodinâmicas (TA e TB) das fontes quente e fria são proporcionais, valendo a relação:

Substituindo na equação do rendimento de uma máquina térmica, obtemos, para a máquina de Carnot:

Considerando a temperatura da fonte fria (TB) igual a zero kelvin (zero absoluto), temos η = 1 ou η = 100%. Entretanto, esse fato contraria a segunda lei da termodinâmica, que garante ser impossível um rendimento de 100%, o que nos leva a concluir que nenhum sistema físico pode se apresentar com temperatura igual a zero absoluto.


Por Domiciano Marques
Graduado em Física

Gostaria de fazer a referência deste texto em um trabalho escolar ou acadêmico? Veja:

SILVA, Domiciano Correa Marques da. "Máquinas de Carnot"; Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquinas-carnot.htm. Acesso em 24 de junho de 2019.

Assista às nossas videoaulas
Lista de Exercícios
Questão 1

Uma máquina térmica de Carnot tem sua fonte quente a uma temperatura de 227 ºC, enquanto a sua fonte fria opera a 27 ºC. O rendimento dessa máquina é igual a:

a) 16%

b) 88%

c) 40 %

d) 25%

e) 50 %

Questão 2

Uma máquina térmica que opera segundo o ciclo de Carnot recebe 800 J de calor de sua fonte quente, que funciona em uma temperatura de 500 K. Considerando que a fonte fria dessa máquina encontre-se a 200 K, a quantidade de calor dissipada para a fonte fria por essa máquina corresponde a:

a) 320 J

b) 300 J

c) 700 J

d) 1000 J

e) 600 J

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