Em nossos estudos sobre Termodinâmica definimos uma máquina térmica como sendo um mecanismo que, fazendo uso de duas fontes térmicas, consegue realizar a conversão entre calor e energia mecânica, ou seja, consegue realizar trabalho. Um exemplo conhecido de máquina térmica que podemos citar é a locomotiva, mais conhecida como “maria-fumaça”.
Diante dos contextos históricos, até o ano de 1824 pensava-se que todas as máquinas térmicas construídas funcionavam perfeitamente, isto é, acreditava-se que tais máquinas tinham 100% de rendimento.
Esse pensamento foi derrubado pelo engenheiro Sadi Carnot, que, através de demonstrações, provou que era impossível conseguir um rendimento de 100% de uma máquina térmica. Sadi propôs que uma máquina térmica teórica, ideal, funcionaria percorrendo um ciclo particular, hoje designado Ciclo de Carnot.
Em suas demonstrações experimentais, Sadi Carnot enunciou dois postulados, que hoje conhecemos como Postulados de Carnot.
O primeiro postulado diz que uma máquina térmica trabalhando entre duas temperaturas estabelecidas tem a possibilidade de conseguir rendimento superior à máquina ideal de Carnot, quando operada entre essas mesmas temperaturas.
O segundo postulado diz que, ao se trabalhar entre duas temperaturas, a máquina ideal de Carnot possui o mesmo rendimento, seja qual for o fluido operante, e é completamente reversível sem adição de energia.
Segundo os postulados propostos por Sadi Carnot, temos a possibilidade de verificar que o rendimento de uma máquina térmica é função exclusiva das temperaturas tanto da fonte quente quanto da fonte fria.
Ciclo de Carnot
O ciclo conhecido como Ciclo de Carnot é um ciclo idealizado e reversível, no qual o fluido operante se trata de um gás, que corresponde a duas transformações térmicas: uma transformação isotérmica (temperatura constante) e duas transformações adiabáticas (não há troca de calor com o meio externo), intercaladas. Os processos sofridos pelo gás no ciclo de Carnot são:
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
No ciclo da figura acima, Ciclo de Carnot, os calores trocados (QA e QB) e as temperaturas termodinâmicas (TA e TB) das fontes quente e fria são proporcionais, portanto a relação que os descreve é a seguinte:
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.
Aproveite para conferir nossas videoaulas sobre o assunto: